L'avènement de l'Internet des Objets a permis de déployer de nombreux réseaux de capteurs sans-fil. Ces réseaux sont utilisés dans des domaines aussi variés que l'agriculture, l'industrie ou la ville intelligente, où ils permettent d'optimiser finement les processus. Ces appareils sont le plus souvent alimentés par des piles ou batteries, ce qui limite leur autonomie. De plus, il n'est pas toujours possible ou financièrement viable de changer ou recharger les batteries. Une solution possible est d'alimenter ces capteurs en récupérant l'énergie présente dans l'environnement alentour. Ces sources d'énergie sont cependant peu fiables, et le capteur doit être capable d'éviter de vider complètement sa réserve d'énergie. Afin de moduler sa consommation d'énergie, le capteur peut adapter sa qualité de service à ses capacités énergétiques. L'appareil peut ainsi fonctionner en continu sans interruption de service. Cette thèse présente les méthodes utilisées pour la conception d'un capteur entièrement autonome alimenté par récupération d'énergie ambiante, communiquant sur un réseau longue portée LoRa. Afin d'assurer l'alimentation électrique, une carte permettant de récupérer de l'énergie depuis plusieurs sources d'énergie simultanément a été conçue. Un module logiciel de gestion d'énergie a ensuite été développé afin de calculer un budget énergétique que le capteur peut dépenser, et choisir la meilleure manière de dépenser ce budget pour exécuter une ou plusieurs tâches. Ce travail a ainsi permis le développement d'un prototype de produit industriel entièrement autonome en énergie. / The advent of the Internet of Things has enabled the roll-out of a multitude of Wireless Sensor Networks. These networks can be used in various fields, such as agriculture, industry or the smart city, where they facilitate fine optimization of processes. These devices are often powered by primary or rechargeable batteries, which limits their battery life. Moreover, it is sometimes not possible or financially viable to change and/or recharge these batteries. A possible solution is to harvest energy from the environment to power these sensors. But these energy sources are unreliable, and the sensor must be able to prevent the complete depletion of its energy storage. In order to adapt its energy consumption, the node can match its quality of service to its energetical capabilities. Thus, the device can continuously operate without any service interruption. This thesis presents the methods used for the conception of a completely autonomous sensor, powered by energy harvesting and communicating through a long range LoRa network. In order to ensure its power supply, a board has been designed to harvest energy from multiple energy sources simultaneously. A power management software module has then been developed to calculate an energy budget the sensor can use, and to choose the best way to spend this budget over one or multiple tasks. This work has enabled the development of an energy autonomous industrial sensor prototype.

Les progrès technologiques réalisés ces dernières années ont permis le développement de nouveaux types de capteurs dotés de moyens de communication sans fil, peu onéreux et pouvant être configurés pour former des réseaux autonomes. Les domaines d'application sont nombreux : domotique, santé, domaine militaire ou bien encore surveillance de phénomènes environnementaux. Les limites imposées sont la limitation des capacités de traitement, de stockage et surtout d'énergie. La liberté laissée à l'implantation est forte et impose de concevoir complètement l'infrastructure, les mécanismes et les protocoles en fonction de l'application visée. Dans cette thèse, nous nous sommes tout d'abord focalisés sur des réseaux de petites tailles. Nous avons conçu une solution protocolaire "Placide" pour le suivi de la chaîne du froid proposée dans le cadre du projet ANR-CAPTEURS. L'originalité première de la solution repose sur l'absence d'infrastructure et de Station de Base. Elle est composée de protocoles performants fondés sur la formation d'un anneau virtuel entre les noeuds, auto-organisants et très économes en énergie. Le second axe est dédié à une étude expérimentale de la qualité du lien.L'objectif est double. Nous souhaitions tout d'abord étayer certaines hypothèses effectuées dans la première partie du travail. Il s'agissait ensuite de proposer des protocoles et des algorithmes fondés sur la qualité du lien. Nous nous sommes focalisés sur la variation de la qualité du lien en fonction de la distance entre les noeuds et de la puissance de transmission. Par la suite, l'impact de la qualité du lien sur la topologie du réseau a été étudiée. Les retours d'expérience sont importants quant à la compréhension des facteurs affectant la durée de vie du réseau. La dernière contribution concerne l'exploitation de ces observations en proposant des stratégies de partage decharge. Notre idée est que des protocoles très réduits et des mécanismes simples peuvent être mis en oeuvre pour le routage. Nous illustrons ces principes au travers d'exemples pour lesquels nous montrons la supériorité de ces solutions par rapport à des routages de type plus court chemin. / Technological advances during the last few years allowed the development of new and cheap sensors equiped with wireless communication which can be configured to form autonomous networks. The application areas for wireless sensor networks (WSN) are various: home automations, health care services, military domain, and environment monitoring. The imposed constraints are limited capacity of processing, storage, and especially energy. In addition, implementing WSN solutions is highly open and requires that the infrastructure, the mechanisms and the protocols should be completely designed based on each specific application.In this thesis, we first focused on small networks. We designed « Placide », a protocol stack solution for cold chain monitoring proposed within the ANR-CAPTEURS project. The first originality of this solution is based on the absence of infrastructure and base stations. « Placide » is composed of self-organizing and energy-efficient protocols based on a virtual ring construction between nodes. The second topic is devoted to an experimental study on Link Quality Indicator (LQI). There are two main objectives. Firstly, we want to endorse our precise assumptions of the first part of the work. Secondly, our poposed link quality based protocols and algorithms willbe described. We focused on LQI variations according to distance between nodes and transmission power.Thereafter, the impact of LQI on the network topology has been studied. Feedbacks are important to understand which factors affect the network lifetime. The last contribution relates to the use of these observations by proposing load balancing strategies. Our idea is that very reduced protocols and simple mechanisms can be used in routing protocols. We illustrate these principles through simple examples where we show the superiority of these solutions compared to standard routing like shortest path for example.

Les zéolithes sont des solides microporeux cristallins largement utilisés en adsorption, catalyse, échange ionique et comme tamis moléculaires. Les zéolithes hydrophobes purement siliciques (zéosils) peuvent être utilisées pour le stockage et l’absorption de l’énergie mécanique par intrusion d’eau à haute pression. En fonction du système “zéosil-eau”, lorsque la pression est relâchée (extrusion), le système peut restituer, dissiper ou absorber l’énergie mécanique fournie pendant la compression (intrusion) et donc, il peut montrer un comportement de type ressort, amortisseur ou pare-chocs. Récemment, il a été remarqué que l’intrusion de solutions salines peut améliorer considérablement les performances énergétiques de ces systèmes par une augmentation de la pression d’intrusion. Pendant ce travail, l’intrusion d’eau et de solutions de LiCl a été étudiée pour différentes zéosils pour mieux comprendre la relation qui existe entre la structure des zéosils (dimension des pores, type et dimensionnalité du système poreux) et le comportement ou les performances énergétiques du système “zéosil-liquide intrusé”.Les expériences avec des zéosils qui présentent une structure à cage ont confirmé une pression d’intrusion plus faible par rapport à celles observées par les zéosils ayant une structure à canaux. La pression d’intrusion augmente fortement avec la concentration de LiCl pour les zéosils caractérisés par de petites ouvertures des pores, spécialement pour ceux qui ont des cages, tandis que cette augmentation est plus faible lorsque de grandes ouvertures de pores sont présentes. Il a été aussi montré une influence de la concentration du sel sur le comportement, probablement, due à la nature particulière des solutions très concentrées. / Zeolites are microporous crystalline solids widely used in adsorption, catalysis, ion exchange and molecular sieving. Hydrophobic pure-silica zeolites (zeosils) can be used for mechanical energy absorption and storage by high pressure intrusion-extrusion of water. Depending on the “zeosil-water” system, when the pressure is released (extrusion), the system is able to restore, dissipate or absorb the supplied mechanical energy during the compression step (intrusion) and therefore to display a spring, shock absorber or bumper behavior. Recently, it was found that the use of aqueous salt solutions could considerably improve the energetic performances of such systems by an increase of the intrusion pressure.In this work the intrusion of water and LiCl solutions was studied for different zeosils in order to understand the relationship between the structure of zeosils (pore size, pore system type and dimensionality) and the behavior or the energetic performances of “zeosil-liquid” systems. The experiments with cage-type zeosils confirmed a lower intrusion pressure in comparison with channel-type ones. The intrusion pressure strongly increases with the LiCl content for the zeosils with small pore openings, particularly, for the cage-type ones, while for larger pores this increase is less important. An influence of salt concentration on the behavior of “zeosils-liquid” systems probably due to the particular nature of highly concentrated solutions was also shown.

Ce mémoire présente les travaux effectués dans le cadre d'un projet de recherche dont le but était de déterminer le potentiel de la ventilation afin d'améliorer les performances énergétiques de fenêtres dites « intelligentes » intégrant un verre électrochromique, une technologie émergente permettant à la fenêtre d'avoir une opacité variable. Premièrement, afin d'atteindre les objectifs fixés, un modèle de fenêtre ventilée a été implanté dans un logiciel commercial de volumes finis afin d'évaluer les bénéfices de la ventilation. Les modes d'opérations de la fenêtre ventilée étudiés étant pensé afin de réduire les charges de climatisation, les simulations ont été effectuées pour des conditions extérieures standards d'été proposées par la NFRC (National Fenestration Rating Council). Une analyse de l'impact de la ventilation sur des fenêtres faites de différents verres tels que des verres clairs et des verres énergétiques low-e ainsi qu'une étude plus exhaustive pour une fenêtre intégrant un verre électrochromique ont été effectuées selon des critères d'évaluation de performance standards dans l'industrie des fenêtres. Les résultats présentés dans un premier article de journal scientifique ont démontré le potentiel des fenêtres électrochromiques ventilées et la pertinence d'approfondir les recherches sur le sujet. Par la suite, un modèle numérique développé et présenté dans le premier article a été implanté dans un modèle numérique de simulation énergétique de bâtiment existant afin d'évaluer l'impact de la ventilation sur la consommation d'énergie annuelle d'un bâtiment situé à Miami, en Floride, avec des façades faites de verres électrochromiques dont l'opacité est optimisée pour chaque heure de l'année pour minimiser la consommation d'énergie. Les performances de la ventilation en fonction de l'orientation de la façade fenestrée, c'est-à-dire nord, sud, est et ouest, ainsi que l'influence de la quantité de rayonnement solaire reçue par la façade ont été analysées. Les résultats présentés dans un deuxième article de journal scientifique ont permis d'évaluer les surcoûts acceptables engendrés par l'installation de verres électrochromiques au lieu de verres énergétiques low-e afin d'obtenir un retour sur investissement au bout de 5 à 10 ans.

Actuellement, il existe une forte demande de Headstage et de microsystèmes intégrés implantables pour étudier l’activité cérébrale de souris de laboratoire en mouvement libre. De tels dispositifs peuvent s’interfacer avec le système nerveux central dans les paradigmes électriques et optiques pour stimuler et surveiller les circuits neuronaux, ce qui est essentiel pour découvrir de nouveaux médicaments et thérapies contre des troubles neurologiques comme l’épilepsie, la dépression et la maladie de Parkinson. Puisque les systèmes implantables ne peuvent pas utiliser une batterie ayant une grande capacité en tant que source d’énergie primaire dans des expériences à long terme, la consommation d’énergie du dispositif implantable est l’un des principaux défis de ces conceptions. La première partie de cette recherche comprend notre proposition de la solution pour diminuer la consommation d’énergie des microcircuits implantables. Nous proposons un nouveau circuit de décalage de niveau qui convertit les niveaux de signaux sub-seuils en niveaux ultra-bas à haute vitesse en utilisant une très faible puissance et une petite zone de silicium, ce qui le rend idéal pour les applications de faible puissance. Le circuit proposé introduit une nouvelle topologie de décaleur de niveau de tension utilisant un condensateur de décalage de niveau pour augmenter la plage de tensions de conversion, tout en réduisant considérablement le retard de conversion. Le circuit proposé atteint un délai de propagation plus court et une zone de silicium plus petite pour une fréquence de fonctionnement et une consommation d’énergie donnée par rapport à d’autres solutions de circuit. Les résultats de mesure sont présentés pour le circuit proposé fabriqué dans un processus CMOS TSMC de 0,18- mm. Le circuit présenté peut convertir une large gamme de tensions d’entrée de 330 mV à 1,8 V et fonctionner sur une plage de fréquence de 100 Hz à 100 MHz. Il a un délai de propagation de 29 ns et une consommation d’énergie de 61,5 nW pour les signaux d’entrée de 0,4 V, à une fréquence de 500 kHz, surpassant les conceptions précédentes. La deuxième partie de cette recherche comprend nos systèmes de transfert d’énergie sans fil proposé pour les applications optogénétiques. L’optogénétique est la combinaison de la méthode génétique et optique d’excitation, d’enregistrement et de contrôle des neurones biologiques. Ce système combine plusieurs technologies telles que les MEMS et la microélectronique pour collecter et transmettre les signaux neuronaux et activer un stimulateur optique via une liaison sans fil. Puisque les stimulateurs optiques consomment plus de puissance que les stimulateurs électriques, l’interface utilise la transmission de puissance par induction en utilisant des moyens innovants au lieu de la batterie avec la petite capacité comme source d’énergie. / Notre première contribution dans la deuxième partie fournit un système de cage domestique intelligent basé sur des barrettes multi-bobines superposées à travers un récepteur multicellulaire implantable mince de taille 1×1 cm2, implanté sous le cuir chevelu d’une souris de laboratoire, et unité de gestion de l’alimentation intégrée. Ce système inductif est conçu pour fournir jusqu’à 35,5 mW de puissance délivrée à un émetteur-récepteur full duplex de faible puissance entièrement intégré pour prendre en charge des implants neuronaux à haute densité et bidirectionnels. L’émetteur (TX) utilise une bande ultra-large à impulsions radio basée sur des approches de combinaison, et le récepteur (RX) utilise une topologie à bande étroite à incrémentation de 2,4 GHz. L’émetteur-récepteur proposé fournit un débit de données de liaison montante TX à 500 Mbits/s double et un débit de données de liaison descendante RX à 100 Mbits/s, et est entièrement intégré dans un processus CMOS TSMC de 0,18-mm d’une taille totale de 0,8 mm2 . La puissance peut être délivrée à partir d’un signal de porteuse de 13,56-MHz avec une efficacité globale de transfert de puissance supérieure à 5% sur une distance de séparation allant de 3 cm à 5 cm. Notre deuxième contribution dans les systèmes de collecte d’énergie porte sur la conception et la mise en oeuvre d’une cage domestique de transmission de puissance sans fil (WPT) pour une plate-forme de neurosciences entièrement sans fil afin de permettre des expériences optogénétiques ininterrompues avec des rongeurs de laboratoire vivants. La cage domestique WPT utilise un nouveau réseau hybride de transmetteurs de puissance (TX) et des résonateurs multi-bobines segmentés pour atteindre une efficacité de transmission de puissance élevée (PTE) et délivrer une puissance élevée sur des distances aussi élevées que 20 cm. Le récepteur de puissance à bobines multiples (RX) utilise une bobine RX d’un diamètre de 1 cm et une bobine de résonateur d’un diamètre de 1,5 cm. L’efficacité moyenne du transfert de puissance WPT est de 29, 4%, à une distance nominale de 7 cm, pour une fréquence porteuse de 13,56 MHz. Il a des PTE maximum et minimum de 50% et 12% le long de l’axe Z et peut délivrer une puissance constante de 74 mW pour alimenter le headstage neuronal miniature. En outre, un dispositif implantable intégré dans un processus CMOS TSMC de 0,18-mm a été conçu et introduit qui comprend 64 canaux d’enregistrement, 16 canaux de stimulation optique, capteur de température, émetteur-récepteur et unité de gestion de l’alimentation (PMU). Ce circuit est alimenté à l’intérieur de la cage du WPT à l’aide d’une bobine réceptrice d’un diamètre de 1,5 cm pour montrer les performances du circuit PMU. Deux tensions régulées de 1,8 V et 1 V fournissent 79 mW de puissance pour tout le système sur une puce. Notre dernière contribution est un système WPT insensible aux désalignements angulaires pour alimenter un headstage pour des applications optogénétiques qui a été précédemment proposé par le Laboratoire de Microsystèmes Biomédicaux (BioML-UL) à ULAVAL. Ce système est la version étendue de notre deuxième contribution aux systèmes de collecte d’énergie.Dans la version mise à jour, un récepteur de puissance multi-bobines utilise une bobine RX d’un diamètre de 1,0 cm et une nouvelle bobine de résonateur fendu d’un diamètre de 1,5 cm, qui résiste aux défauts d’alignement angulaires. Dans cette version qui utilise une cage d’animal plus petite que la dernière version, 4 résonateurs sont utilisés côté TX. De plus, grâce à la forme et à la position de la bobine de répéteur L3 du côté du récepteur, la liaison résonnante hybride présentée peut correctement alimenter la tête sans interruption causée par le désalignement angulaire dans toute la cage de la maison. Chaque 3 tours du répéteur RX a été enveloppé avec un diamètre de 1,5 cm, sous différents angles par rapport à la bobine réceptrice. Les résultats de mesure montrent un PTE maximum et minimum de 53 % et 15 %. La méthode proposée peut fournir une puissance constante de 82 mW pour alimenter le petit headstage neural pour les applications optogénétiques. De plus, dans cette version, la performance du système est démontrée dans une expérience in-vivo avec une souris ChR2 en mouvement libre qui est la première expérience optogénétique sans fil et sans batterie rapportée avec enregistrement électrophysiologique simultané et stimulation optogénétique. L’activité électrophysiologique a été enregistrée après une stimulation optogénétique dans le Cortex Cingulaire Antérieur (CAC) de la souris. / Our first contribution in the second part provides a smart home-cage system based on overlapped multi-coil arrays through a thin implantable multi-coil receiver of 1×1 cm2 of size, implantable bellow the scalp of a laboratory mouse, and integrated power management circuits. This inductive system is designed to deliver up to 35.5 mW of power delivered to a fully-integrated, low-power full-duplex transceiver to support high-density and bidirectional neural implants. The transmitter (TX) uses impulse radio ultra-wideband based on an edge combining approach, and the receiver (RX) uses a 2.4- GHz on-off keying narrow band topology. The proposed transceiver provides dual-band 500-Mbps TX uplink data rate and 100-Mbps RX downlink data rate, and it is fully integrated into 0.18-mm TSMC CMOS process within a total size of 0.8 mm2. The power can be delivered from a 13.56-MHz carrier signal with an overall power transfer efficiency above 5% across a separation distance ranging from 3 cm to 5 cm. Our second contribution in power-harvesting systems deals with designing and implementation of a WPT home-cage for a fully wireless neuroscience platform for enabling uninterrupted optogenetic experiments with live laboratory rodents. The WPT home-cage uses a new hybrid parallel power transmitter (TX) coil array and segmented multi-coil resonators to achieve high power transmission efficiency (PTE) and deliver high power across distances as high as 20 cm. The multi-coil power receiver (RX) uses an RX coil with a diameter of 1 cm and a resonator coil with a diameter of 1.5 cm. The WPT home-cage average power transfer efficiency is 29.4%, at a nominal distance of 7 cm, for a power carrier frequency of 13.56-MHz. It has maximum and minimum PTE of 50% and 12% along the Z axis and can deliver a constant power of 74 mW to supply the miniature neural headstage. Also, an implantable device integrated into a 0.18-mm TSMC CMOS process has been designed and introduced which includes 64 recording channels, 16 optical stimulation channels, temperature sensor, transceiver, and power management unit (PMU). This circuit powered up inside the WPT home-cage using receiver coil with a diameter of 1.5 cm to show the performance of the PMU circuit. Two regulated voltages of 1.8 V and 1 V provide 79 mW of power for all the system on a chip. Our last contribution is an angular misalignment insensitive WPT system to power up a headstage which has been previously proposed by the Biomedical Microsystems Laboratory (BioML-UL) at ULAVAL for optogenetic applications. This system is the extended version of our second contribution in power-harvesting systems. In the updated version a multi-coil power receiver uses an RX coil with a diameter of 1.0 cm and a new split resonator coil with a diameter of 1.5 cm, which is robust against angular misalignment. In this version which is using a smaller animal home-cage than the last version, 4 resonators are used on the TX side. Also, thanks to the shape and position of the repeater coil of L3 on the receiver side, the presented hybrid resonant link can properly power up the headstage without interruption caused by the angular misalignment all over the home-cage. Each 3 turns of the RX repeater has been wrapped up with a diameter of 1.5 cm, in different angles compared to the receiver coil. Measurement results show a maximum and minimum PTE of 53 % and 15 %. The proposed method can deliver a constant power of 82 mW to supply the small neural headstage for the optogenetic applications. Additionally, in this version, the performance of the system is demonstrated within an in-vivo experiment with a freely moving ChR2 mouse which is the first fully wireless and batteryless optogenetic experiment reported with simultaneous electrophysiological recording and optogenetic stimulation. Electrophysiological activity was recorded after delivering optogenetic stimulation in the Anterior Cingulate Cortex (ACC) of the mouse. / Currently, there is a high demand for Headstage and implantable integrated microsystems to study the brain activity of freely moving laboratory mice. Such devices can interface with the central nervous system in both electrical and optical paradigms for stimulating and monitoring neural circuits, which is critical to discover new drugs and therapies against neurological disorders like epilepsy, depression, and Parkinson’s disease. Since the implantable systems cannot use a battery with a large capacity as a primary source of energy in long-term experiments, the power consumption of the implantable device is one of the leading challenges of these designs. The first part of this research includes our proposed solution for decreasing the power consumption of the implantable microcircuits. We propose a novel level shifter circuit which converting subthreshold signal levels to super-threshold signal levels at high-speed using ultra low power and a small silicon area, making it well-suited for low-power applications such as wireless sensor networks and implantable medical devices. The proposed circuit introduces a new voltage level shifter topology employing a level-shifting capacitor to increase the range of conversion voltages, while significantly reducing the conversion delay. The proposed circuit achieves a shorter propagation delay and a smaller silicon area for a given operating frequency and power consumption compared to other circuit solutions. Measurement results are presented for the proposed circuit fabricated in a 0.18-mm TSMC CMOS process. The presented circuit can convert a wide range of the input voltages from 330 mV to 1.8 V, and operate over a frequency range of 100-Hz to 100-MHz. It has a propagation delay of 29 ns, and power consumption of 61.5 nW for input signals 0.4 V, at a frequency of 500-kHz, outperforming previous designs. The second part of this research includes our proposed wireless power transfer systems for optogenetic applications. Optogenetics is the combination of the genetic and optical method of excitation, recording, and control of the biological neurons. This system combines multiple technologies such as MEMS and microelectronics to collect and transmit the neuronal signals and to activate an optical stimulator through a wireless link. Since optical stimulators consume more power than electrical stimulators, the interface employs induction power transmission using innovative means instead of the battery with the small capacity as a power source.

Dans un contexte d'accroissement du recours à des sources d'énergies renouvelables intermittentes, la palette des dispositifs de stockage électrochimique s'étend et se diversifie pour assurer l'adéquation entre ces sources intermittentes et leurs applications. La conception et le contrôle en temps réel de ces dispositifs nécessitent un modèle de l'énergie disponible au cours du fonctionnement. Or, la non-linéarité du comportement énergétique des dispositifs de stockage électrochimique en fonction des conditions d'utilisation rend cette modélisation très complexe. Aujourd'hui, l'énergie disponible est modélisée grâce à un estimateur de l'état de charge (SoC), couplé à un modèle de la tension de la batterie. L'interfaçage de ces modèles avec ceux des autres composants d'un système est souvent difficile du fait de la nature des variables de contrôle. Par ailleurs, en temps réel, ces modèles permettent difficilement de réaliser des prévisions de l'énergie disponible dans diverses conditions d'utilisation. L'approche énergétique retenue ici a permis de définir un nouvel estimateur, l'état d'énergie (SoE) et de concevoir directement un modèle de l'énergie disponible pour différentes conditions d'utilisation, sans avoir recours à une double modélisation SoC/tension. Le SoE a été utilisé pour caractériser les performances énergétiques d'accumulateurs plomb-acide et Lithium Ion. Pour ces derniers, la précision sur la prévision de l'énergie disponible a été estimée sur plusieurs profiles types.

Toute action naturelle crée de l'énergie perdue qui pourrait être exploitée pour alimenter nos appareils électriques et mobiles. Nos environnements physiques disposent d'un nombre élevé de micro-sources d'énergies ; certes chacune est de faible puissance, mais leur multiplicité pourrait s'avérer significative, notamment dans le cadre du fonctionnement de microsystèmes. C'est le principe précédent qui a conduit nos travaux sur la problématique de la conception de microsystèmes autonomes. Ainsi, pour être innovante, l'ingénierie de microsystèmes doit à la fois s'appuyer sur la culture de l'électronique, de la mécanique mais aussi de l'énergétique. Le processus de conception est fortement pluridisciplinaire et son efficacité réside dans la capacité à mettre en oeuvre des méthodologies et des outils : - de conception collaborative, - de capitalisation des connaissances techniques, - d'ingénierie multi-physique, - d'ingénierie intégrée. Sur le base de ces fondamentaux, nous avons développé un outil d'aide à la conception. La méthodologie sous-jacente permet : 1- l'analyse et la structuration d'un problème de conception d'un microsystème autonome : cette phase conduit l'identification, la description fonctionnelle et environnementale du système et de son environnement. 2- la modélisation des connaissances : une analyse architecturale conduit à la description des composants et des interactions liées au microsystème (directement ou indirectement) puis à la modélisation des comportements, 3- la qualification énergétique et le couplage physique : la réutilisation structurée des modèles de connaissances est pilotée pour coupler les modèles physiques et décrire les sources, les puits et les mécanismes énergétiques des environnements, 4- la conduite de la recherche de concepts innovants : la base de connaissances, les critères de qualification et la description fonctionnelle préalablement construits sont agencés dans une seule méthode de conception virtuelle pour rechercher des concepts de solutions innovants, 5- le pré-dimensionnement : tout en assurant l'intégration des outils spécialisés de simulation (méthode des éléments finis et simulation fonctionnelle), le prédimensionnement de microsystèmes autonomes est supportée selon un schéma synthétique, assurant un raisonnement abductif (ou bottom-up). La conjonction des raisonnements physiques, l'intégration des méthodes et des cultures métiers, l'exploration virtuelle des espaces de solutions et la modélisation constituent les bases d'un nouveau moyen d'aide à la conception de microsystèmes autonomes. Cette approche a été déployée pour la conception d'un capteur piézoélectrique autonome.

En raison de l'augmentation des coûts d'énergie et des préoccupations environnementales telles que les empreintes de carbone élevées, les systèmes de la production d'électricité centralisée se restructurent pour profiter des avantages de la production distribuée afin de répondre aux exigences énergétiques toujours croissantes. Les microgrids sont considérés comme une solution possible pour déployer une génération distribuée qui inclut des ressources énergétiques distribuées DERs (Distributed Energy Resources)(e.g, solaire, éolienne, batterie, etc). Dans cette thèse, nous traitons les défis de la gestion d'énergie dans un microgrid industriel où les charges énergétique sont constituées de processus industriels. Notre plan consiste à diviser la gestion de l'énergie du microgrid en deux parties: la production et la demande d’énergie.Du côté de la production d'énergie, les défis incluent la modélisation des générations de puissance et le lissage des fluctuations des DER. Pour modéliser les générations de puissance, nous proposons un modèle basé sur les concepts de service courbé de Network Calculus. En utilisant cet outil mathématique, nous déterminons une quantité minimale de puissance que les DERs peuvent générer; leur agrégation nous donnera une production d'énergie totale dans le microgrid. Après cela, s'il existe un déséquilibre entre la production et la demande d'énergie, nous proposons des stratégies différentes pour minimiser les coûts d'approvisionnement énergétique. Sur la base des données réelles de la consommation d'énergie d'un site industriel situé en France, des économies significatives peuvent être réalisées en adoptant ces stratégies. Dans cette thèse, nous étudions également comment atténuer les effets des fluctuations de puissance des DERs en conjonction avec des systèmes de stockage d'énergie. Pour cela, nous proposons un algorithme de lissage gaussien et nous le comparons avec des algorithmes de lissage trouvés dans l'état de l'art. Nous avons trouvé que l'algorithme proposé utilise de batterie de moins de taille à des fins de lissage par rapport à d'autres algorithmes. À cette fin, nous sommes également intéressés à étudier les effets de la gamme admissible des fluctuations sur les tailles de la batterie.Du côté de la demande, l'objectif est de réduire les coûts de l'énergie grâce aux approches de gestion de la demande DSM (Demand Side Management) telles que Demand Response (DR) et Energy Efficiency. Comme les processus industriels consomment énormément, une petite réduction de la consommation d'énergie en utilisant les approches DSM pourrait se traduire par des économies cruciales. Cette thèse se concentre sur l'approche DR qui peut profiter des prix variables de l'électricité dans le temps pour déplacer les demandes énergétiques des heures de pointe aux heures creuses. Pour atteindre cet objectif, nous comptons sur un modèle basé sur la théorie de file d'attente pour caractériser les comportements temporels (arrivée et départ des tâches) d'un système de fabrication. Après avoir défini les processus d'arrivée et de départ de tâches, une fonction d'utilisation efficace est utilisée pour prédire le comportement de la machine dans un domaine temporel et qui peut afficher son statut (allumé/éteint) à tout moment. En prenant le statut de chaque machine dans une ligne de production comme une entrée, nous proposons également un algorithme de planification DR qui adapte la consommation d'énergie d'une ligne de production aux deux contraintes de puissance disponibles et de taux de production. L'algorithme est codé à l'aide d’une machine d’état fini déterministe (Deterministic Finite State Machine) dans laquelle les transitions d'état se produisent en insérant une tâche à l'entrée du tapis roulant (on peut aussi avoir des transitions sans insertion de taches). Nous définissons des conditions pour l'existence d’un planificateur réalisable et aussi des conditions pour accepter positivement des demandes DRs / Due to increased energy costs and environmental concerns such as elevated carbon footprints, centralized power generation systems are restructuring themselves to reap benefits of distributed generation in order to meet the ever growing energy demands. Microgrids are considered as a possible solution to deploy distributed generation which includes Distributed Energy Resources (DERs) (e.g., solar, wind, battery, etc). In this thesis, we are interested in addressing energy management challenges in an industrial microgrid where energy loads consist of industrial processes. Our plan of attack is to divide the microgrid energy management into supply and demand sides.In supply side, the challenges include modeling of power generations and smoothing out fluctuations of the DERs. To model power generations, we propose amodel based on service curve concepts of Network Calculus (NC). Using this mathematical tool, we determine a minimum amount of power the DERs can generate and aggregating them will give us total power production in the microgrid. After that, if there is an imbalance between energy supply and demand, we put forward different strategies to minimize energy procurement costs. Based on real power consumption data of an industrial site located in France, significant cost savings can be made by adopting the strategies. In this thesis, we also study how to mitigate the effects of power fluctuations of DERs in conjunction with Energy Storage Systems (ESSs). For this purpose, we propose a Gaussian-based smoothing algorithm and compare it with state-of-the-art smoothing algorithms. We found out that the proposed algorithm uses less battery size for smoothing purposes when compared to other algorithms. To this end, we are also interested in investigating effects of allowable range of fluctuations on battery sizes.In demand side, the aim is to reduce energy costs through Demand Side Management (DSM) approaches such as Demand Response (DR) and Energy Efficiency (EE). As industrial processes are power-hungry consumers, a small power consumption reduction using the DSM approaches could translate into crucial savings. This thesis focuses on DR approach that can leverage time varying electricity prices to move energy demands from peak to off-peak hours. To attain this goal, we rely on a queuing theory-based model to characterize temporal behaviors (arrival and departure of jobs) of a manufacturing system. After defining job arrival and departure processes, an effective utilization function is used to predict workstation’s (or machine’s) behavior in temporal domain that can show its status (working or idle) at any time. Taking the status of every machine in a production line as an input, we also propose a DR scheduling algorithm that adapts power consumption of a production line to available power and production rate constraints. The algorithm is coded using Deterministic Finite State Machine (DFSM) in which state transitions happen by inserting a job (or not inserting) at conveyor input. We provide conditions for existence of feasible schedules and conditions to accept DR requests positively.To verify analytical computations on the queuing part, we have enhanced Objective Modular Network Testbed in C++ (OMNET++) discrete event simulator for fitting it to our needs. We modified various libraries in OMNET++ to add machine and conveyor modules. In this thesis, we also setup a testbed to experiment with a smart DR protocol called Open Automated Demand Response (OpenADR) that enables energy providers (e.g., utility grid) to ask consumers to reduce their power consumption for a given time. The objective is to explore how to implement our DR scheduling algorithm on top of OpenADR

Les ions erbium trivalents (Er3+) ont joué un rôle important dans le développement de la technologie des télécommunications optiques dans les dernières années. L'émission des ions Er3+ à 1.53?m est cruciale pour lestélécommunications optiques car cette émission correspond au minimum d'atténuation des fibres de silice utilisée pour transporter l'information. Malheureusement, la section efficace d'absorption des ions Er3+ est faible, de l'ordre de 10-21cm2. Pour cette raison, la sensibilisation des ions Er3+ par des espèces dont la section efficace d'absorption est élevée, comme les nano particules de silicium (Np-Si) par exemple, présente un intérêt majeur.<br>Plusieurs études ont été effectuées sur des couches minces de silice codopée par des Np-Si et des ions Er3+, mais plusieurs questions restent sans réponses. Par exemple, les mécanismes d'excitation et de désexcitation des ions Er3+, le faible pourcentage des ions Er3+ excités et l'environnement local des ions Er3+.<br>Nous avons utilisé une technique d'affinement de raie de fluorescence pour étudier l'environnement local des ions Er3+. Nous avons quantifié la largeur inhomogène de la transition 4I13/2--> 4I15/2 des ions Er3+ dans des couches minces de silice dopées par des Np-Si. Nous avons mis en évidence la présence d'un seul type de site. Une étude de la dynamique du niveau 4I13/2 nous a permis de proposer l'existence du phénomène de migration d'énergie entre les ions Er3+. Nous n'avons pas observé l'existence d'un transfert retour entre les ions Er3+ et les Np-Si. De plus, nous avons remarqué la présence d'une émission rapide (nanoseconde) dans le domaine de l'infrarouge. Nous avons attribué cette émission aux défauts liés aux Np-Si.

Les collectivités territoriales s'affichent comme des acteurs majeurs du secteur énergétique.Cependant, leur relation est empreinte d'une certaine ambiguïté du fait du caractère éminemmentstratégique du second. S'il apparaît qu'au début du XXe siècle les collectivités territoriales assumaient,à travers la distribution d'énergie, un véritable service public local, la réalité d'un tel caractère estaujourd'hui contestable. La nationalisation de 1946 a en effet eu pour conséquence de remettreprofondément en cause l'exercice de cette compétence, lui faisant perdre son caractère effectivementlocal. Malgré la récente libéralisation du marché de l'énergie, les collectivités territoriales ne se sontpas réapproprié ce rôle. Elles semblent toutefois trouver progressivement une nouvelle légitimité dansce domaine à la faveur des préoccupations occupant des places de plus en plus importantes que sontla sécurité d'approvisionnement et la protection de l'environnement. Ce travail se propose d'étudier lesinteractions entre les collectivités territoriales et l'énergie à travers la problématique de ladécentralisation. Le secteur énergétique, aussi stratégique soit-il n'empêche pas la mise en placed'une certaine forme de décentralisation. Les collectivités territoriales ont un rôle important à y jouermême s'il ne saurait concerner ce secteur dans sa globalité. Elles sont ainsi passées de la prise encharge d'une activité industrielle et commerciale à une implication grandissante dans le domaine del'énergie à travers le prisme environnemental.