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Au cours des dernières années, l'énergie solaire a retenu une attention cruciale de la part des chercheurs en raison de son grand potentiel à compenser les carences de production d'énergie. Les recherches et études menées sur l'énergie solaire visent non seulement à optimiser les systèmes d'énergie solaire existants, mais aussi à les combiner pour obtenir des systèmes d'énergie solaire hybrides qui permettent de produire de l'énergie thermique et de générer de l'énergie électrique simultanément. Dans ce contexte, le but de cette étude est d'examiner de manière extensive la littérature liée aux études d'énergie solaire, particulièrement les systèmes hybrides, mais aussi de suggérer de nouveaux systèmes hybrides et d'analyser d'autres systèmes existants en utilisant des modélisations thermiques appropriées ainsi que des analyses paramétriques et études de cas.En premier lieu, nous présentons une nouvelle méthodologie pour établir un modèle photovoltaïque / thermique à concentrateur parabolique (PTPVT « Parabolic Trough Photovoltaic/Thermal »). Une analyse paramétrique est réalisée pour étudier les performances du système et l'influence de plusieurs paramètres. Des études de cas sont mises en œuvre dans trois pays différents pour étudier l'effet des conditions climatiques sur les performances du système. En outre, des analyses économiques et environnementales sont menées pour calculer la période de retour sur investissement du système et la réduction des émissions de CO2 dans les trois pays.De plus, un système photovoltaïque / thermique / thermoélectrique à concentrateur parabolique(PTPVT-TE « Parabolic Trough Photovoltaic Thermal Thermoelectric ») est décrit, dans lequel une modélisation thermique est développée à l'aide d'une nouvelle méthodologie et des études de cas sont réalisées sur trois pays différents avec des analyses économiques et environnementales.
Les systèmes hybrides EnR/H2 sont une solution innovante au problème du stockage des énergies renouvelables. Ces systèmes comprennent : une ou plusieurs sources renouvelables d’énergie ; un électrolyseur pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène lorsque la source renouvelable fournit un excédent d’énergie ; à l'inverse, lorsque la demande excède la capacité de la source renouvelable, une pile à combustible consomme les gaz afin de fournir le complément d'énergie nécessaire. Afin de développer ces solutions dans le futur : il est nécessaire de constituer un ensemble de références architecturales correspondant aux applications cibles pour les systèmes hybrides EnR/H2 ; et de posséder un instrument décisionnel permettant le dimensionnement optimum des sous-systèmes selon plusieurs critères (efficacité énergétique du système ou coût du kWh). Un code numérique de dimensionnement sous langage MATLAB®, baptisé ORIENTE, a donc été développé dans le cadre des travaux de recherches qui s’inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-07-PANH-012). Les différents partenaires de ce projet sont la société HELION, l’Université De Corse, le CEA, l’INPT – LAPLACE et ARMINES. Les applications concernées par ce code, sont l’électrification de sites isolés, la gestion énergétique de micro-réseaux électriques et l’écrêtage de pointes de puissance sur un réseau électrique. La première application sera traitée via un démonstrateur qui sera installé à Cadarache début 2011, sur le site du CEA, celle-ci concerne l’alimentation d’un pylône météorologique. Cette application est labellisée par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. La 2ème application concerne l’étude d’un micro-réseau sur le site de MAFATE (îlet de la Réunion). Cette étude est en partenariat avec l’ARER. La dernière application, nommée projet MYRTE a été traité à travers une plateforme technologique sur le site de Vignola (près d’Ajaccio) pour des modes de contrôle-commande répondant à de l’écrêtage de pointe et à du lissage de la production photovoltaïque. Cette plateforme est financée par la région, l’Etat et l’Europe (FEDER). Cette application a fait l’objet d’une labellisation par CAPENERGIES.
AUJOURD'HUI, LE GENERATEUR DIESEL EST LA TECHNIQUE LA PLUS UTILISEE POUR L'ELECTRIFICATION DECENTRALISEE. NEANMOINS, L'ACCES AUX SITES ISOLES ETANT GENERALEMENT LONG ET DIFFICILE, LES COUTS DE MAINTENANCE ET D'APPROVISIONNEMENT EN CARBURANT SONT TRES ELEVES. LE COUPLAGE - AU SEIN D'UN SYSTEME HYBRIDE - D'UN GENERATEUR DIESEL AVEC DES SOURCES D'ENERGIE RENOUVELABLE REPRESENTE ALORS SOUVENT L'OPTION LA PLUS ECONOMIQUE. DE NOMBREUX PARAMETRES INFLUENT SUR LE FONCTIONNEMENT DES SYSTEMES HYBRIDES, PARMI LESQUELS LE TAUX D'UTILISATION DES ENERGIES RENOUVELABLES, LA GESTION DU SYSTEME, LA FIABILITE DE LA PRODUCTION D'ELECTRICITE, LES INTERVALLES DE MAINTENANCE ET DE REMPLACEMENT DES COMPOSANTS, ETC. DANS LE BUT D'ANALYSER CES POINTS ET D'EVALUER LEUR IMPACT SUR LE COUT GLOBAL DU SYSTEME, DES OUTILS APPROPRIES SONT INDISPENSABLES. NOTRE ETUDE PORTE SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUE-DIESEL AVEC STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE. DANS UN PREMIER TEMPS, NOUS AVONS CONCU UN BANC D'ESSAIS HYBRIDE DE 3 KWC, QUI A ETE INSTALLE AU CENTRE D'ENERGETIQUE A SOPHIA ANTIPOLIS. EN PARALLELE, UN PROGRAMME MODULAIRE DE SIMULATION A ETE DEVELOPPE BASE SUR LA MODELISATION DETAILLEE DES COMPOSANTS. LE PROGRAMME A ETE VALIDE EN UTILISANT DES MESURES DU BANC D'ESSAIS. LE BANC D'ESSAIS REPRESENTE A ECHELLE REDUITE UN SYSTEME REEL D'ELECTRIFICATION VILLAGEOISE. IL COMPREND UN ONDULEUR / CHARGEUR BIDIRECTIONNEL RELIANT D'UNE PART UNE CHARGE EN COURANT ALTERNATIF (220 V) ET UN GROUPE DIESEL DE 3KW, D'AUTRE PART UN SYSTEME PV-BATTERIE EN COURANT CONTINU. UN SUPERVISEUR BASE SUR LA SURVEILLANCE DES SEUILS DE TENSION ASSURE LA GESTION DU SYSTEME, DONT LE MONITORING EST EFFECTUE PAR UN SYSTEME D'ACQUISITION A 80 VOIES. APRES UNE PHASE INTENSIVE DE CALIBRAGE, UNE ANALYSE DETAILLEE DES PERFORMANCES DU SYSTEME EN CONDITIONS REELLES EST EFFECTUEE. PARALLELEMENT, LE DEVELOPPEMENT D'UN NOUVEAU SIMULATEUR DE SYSTEMES HYBRIDES A ETE ENTREPRIS. L'ACCENT A ETE MIS SUR LA MODELISATION DETAILLEE DU SYSTEME DE REGULATION ET DE SON IMPACT SUR LES PERFORMANCES DU SYSTEME. LA THESE PRESENTE LA DESCRIPTION MATHEMATIQUE DE CHACUN DES MODELES DE COMPOSANTS. LA VALIDATION SUR LA BASE DE SAISIES EXPERIMENTALES AU PAS DE TEMPS DE LA MINUTE EST EFFECTUEE, POUR CHACUN DES COMPOSANTS, PUIS POUR L'ENSEMBLE DU SYSTEME. LE SIMULATEUR AINSI DEVELOPPE PERMET L'ANALYSE DES PERFORMANCES DES SYSTEMES HYBRIDES SUIVANT LA STRATEGIE DE GESTION UTILISEE.
This book focuses on the methods of storage commonly used in hybrid systems. After an introductory chapter reviewing the basics of electrochemistry, Chapter 2 is given over to the storage of electricity in the form of hydrogen. Once hydrogen has been made, we have to be able to convert it back into electricity on demand. This can be done with another energy converter: a fuel cell, the subject of Chapter 3. Such a system is unable to deliver significant dynamics in terms of storage and release of electricity and needs to be supplemented with another solution: a detailed study of supercapacitors is provided in Chapter 4.While the storage systems touched upon in the previous three chapters (hydrogen batteries and supercapacitors) both exhibit advantageous characteristics, at present they are still relatively costly. Thus, the days of the electrochemical accumulator by no means appear to be numbered just yet. This will therefore be the topic of Chapter 5. Finally, on the basis of the elements laid down in the previous chapters, Chapter 6 will focus on electrical hybridization of these storage systems, with a view to enhancing the performance (in terms of energy, lifetime, cost, etc.) of the newly formed system. Aimed at an audience of researchers, industrialists, academics, teachers and students, many exercises, along with corrected solutions, are provided throughout the book. Contents 1. Basic Concepts of Electrochemistry used in Electrical Engineering. 2. Water Electrolyzers. 3. Fuel Cells. 4. Electrical Energy Storage by Supercapacitors. 5. Electrochemical Accumulators. 6. Hybrid Electrical System. About the Authors Marie-Cécile Péra is a Full Professor at the University of Franche-Comte in France and Deputy Director of the FEMTO-ST Institute (CNRS). Her research activities include modeling, control and diagnosis of electric power generation systems (fuel cells – PEMFC and SOFC, supercapacities, batteries) for transportation and stationary applications. She has contributed to more than 180 articles in international journals and conferences. Daniel Hissel is Full Professor at the University of Franche-Comte in France and Director of the Fuel Cell Lab Research Federation (CNRS). He also leads a research team devoted to hybrid electrical systems in the FEMTO-ST Institute (CNRS). He has published more than 250 research papers on modeling, control, diagnostics and prognostics of hybrid electrical systems. Hamid Gualous is Full Professor at the University of Caen Lower Normandy in France and director of the LUSAC laboratory. His current research interests include power electronics, electric energy storage, power and energy systems and energy management. Christophe Turpin is Full Researcher at the CNRS (French National Center for Scientific Research). He is responsible for hydrogen activities within the Laboratory LAPLACE, Toulouse, France. His research activities include the characterization and modeling of fuel cells and electrolyzers, the state of health of these components, and their hybridization with other electrochemical components (ultracapacitors, batteries) within optimized energy systems for stationary and aeronautical applications.
This proceedings book emphasizes adopting artificial intelligence-based and sustainable energy efficiency integrated with clear objectives, to involve researchers, students, and specialists in their development and implementation adequately in achieving objectives. The integration of artificial intelligence into renewable energetic systems would allow the rapid development of a knowledge-based economy suitable to the energy transition, while fully integrating the renewables into the global economy. This is how artificial intelligence has hand in by conceptualizing this transition and above all by saving time. The knowledge economy is valuated within the smart cities, which are fast becoming the favorite places where the energy transition will take place efficiently and intelligently by implementing integrated approaches to energy saving and energy supply and integrated urban approaches that go beyond individual interventions in buildings or transport modes using information and communication technologies.
The application of contemporary and emerging operational research optimization methods in renewable energy is vital to creating and maintaining sustainable environments across the planet. More research is needed to understand how modern and innovative technological solutions can enhance accessible global energy. Operational Research for Renewable Energy and Sustainable Environments is a critical scholarly resource that examines the efficient use of modern electrical technology and renewable energy sources that have a positive impact on sustainable development. Highlighting topics such as cogeneration thermal modules, photovoltaic (PV) solar, and renewable energy systems (RES) application practices, this publication is geared towards academics, advocates, government officials, policymakers, humanized managers, practitioners, professionals, and students interested in the latest research on renewable energy and clean technology for sustainable rural development.
This book emphasizes the role of micro-grid systems and connected networks for the strategic storage of energy through the use of information and communication techniques, big data, the cloud, and meta-heuristics to support the greed for artificial intelligence techniques in data and the implementation of global strategies to meet the challenges of the city in the broad sense. The intelligent management of renewable energy in the context of the energy transition requires the use of techniques and tools based on artificial intelligence (AI) to overcome the challenges of the intermittence of resources and the cost of energy. The advent of the smart city makes an increased call for the integration of artificial intelligence and heuristics to meet the challenge of the increasing migration of populations to the city, in order to ensure food, energy, and environmental security of the citizen of the city and his well-being. This book is intended for policymakers, academics, practitioners, and students. Several real cases are exposed throughout the book to illustrate the concepts and methods of the networks and systems presented. This book proposes the development of new technological innovations—mainly ICT—the concept of “Smart City” appears as a means of achieving more efficient and sustainable cities. The overall goal of the book is to develop a comprehensive framework to help public and private stakeholders make informed decisions on smart city investment strategies and develop skills for assessment and prioritization, including resolution of difficulties with deployment and reproducibility.
Cette thèse présente un outil que nous avons développé pour déterminer le dimensionnement technico-économique optimal d’un système photovoltaïque hybride.Nous présentons d’abord les principales caractéristiques du système et de ses composants, nous mettons en évidence les interactions entre les différents composants du système, nous analysons les différentes architectures de systèmes photovoltaïques hybrides et nous présentons quelques stratégies de gestion.Ensuite, nous traitons la modélisation détaillée du fonctionnement du système et de ses composants qui est la base de l’outil d’optimisation. À partir de ces modèles nous pouvons effectuer une simulation du fonctionnement du système en fonction du temps dans les conditions données et pour la période qui nous intéresse. L’objectif est double : d’une part, nous devons vérifier si le dimensionnement du système respecte les contraintes de fonctionnement et satisfait toutes les exigences de l’utilisateur ; d’autre part nous avons besoin d’informations détaillées sur le fonctionnement du système pour en déduire les coûts de fonctionnement.Nous présentons en détail la modélisation de l’ensemble de tous les coûts qui sont liés aux composants du système et à son fonctionnement. La méthode d’actualisation des coûts en fonction des intérêts est également présentée.Les modèles utilisés sont basés sur des fonctions non-linéaires, voire non-différentiables et discontinues. L’espace de recherche est très large et discrétisé. La méthode adéquate pour résoudre ce type de problème est basée sur un algorithme génétique.Une étude sur plusieurs cas bien définis nous permet de présenter les résultats auxquels nous avons abouti.
Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la validation du concept « Flexy Energy » developpé par le laboratoire Energie Solaire et Economie d'Energie de la fondation 2iE. qui consiste en la production décentralisée d'électricité via les centrales hybrides PV/diesel (gasoil et biocarburant) sans stockage d'énergie dans les batteries d'accumulateurs et avec une gestion intelligente de la production et des charges à alimenter. Une installation pilote basée sur ce concept, constituée d'un groupe électrogène de 11,5 kVA couplé à un champ PV de 2,85 kWc via un onduleur de 3,3 kW, a été mise en place dans le cadre de cette thèse. L'étude expérimentale du prototype «Flexy Energy» a permis dans un premier temps d'évaluer les performances du système (consommation spécifique du groupe Diesel et production du champ PV) pour différents profils de charge et d'ensoleillement. Cette partie de l'étude a fait ressortir la nécessité d'une gestion intelligente de la production et des charges au sein du système afin de toujours lui garantir une meilleure efficacité quelles que soient les conditions de charge. Ensuite, l'étude expérimentale a porté sur l'impact du générateur PV sur les paramètres électriques du réseau local. A ce niveau les distorsions harmoniques (en tension et en courant) ainsi que la stabilité de la tension du réseau ont été étudiés. La dernière partie de cette thèse a consisté en la modélisation et l'optimisation des systèmes hybrides PV/Diesel sans stockage. Le travail réalisé ici se positionne comme un premier pas vers des applications numériques (solutions logicielles ou progicielles) en mesure de dimensionner et d'optimiser les systèmes hybrides PV/Diesel sans stockage avec une gestion intelligente de laproduction et des charges.