La récupération du courant d'écoulement en tant que source d'énergie est une technologie ayant vu un regain d'intérêt depuis le début des années 2000. Le courant d'écoulement est récupéré en faisant passer un liquide dans des canaux microfluidiques ayant une taille de l'ordre de la dizaine de microns. Des travaux récents ont montré des réalisations générant des densités de puissance comparables à celles de méthodes de récupération d'énergie plus connues (piézoélectricité etc...), montrant que le courant d'écoulement peut être employé pour l'alimentation d'électronique de faible puissance. Cependant l'efficacité de transduction reste faible, de l'ordre de quelques pourcents. Une des pistes très prometteuses pour l'amélioration du rendement du phénomène est l'utilisation de surfaces superhydrophobes dans les micro- ou nanocanaux, avec un gain d'efficacité théorisé d'un ordre de grandeur, allant jusqu'à 37%. Cependant, à ce jour très peu de réalisations expérimentales existent sur ce sujet. Mon travail de thèse s'est inscrit directement dans cette problématique, avec l'étude expérimentale de l'influence d'une surface superhydrophobe constituée d'un tapis de nanofils de silicium dans la récupération du courant d'écoulement. J'ai ainsi réalisé plusieurs récupérateurs d'énergie avec des canaux hydrophiles, hydrophobes et superhydrophobes et j’ai effectué leur caractérisation électrique. En dépit de problèmes de répétabilité et de dégradation des surfaces, une amélioration de la puissance récupérée a été mesurée pour la surface superhydrophobe par rapport à une surface hydrophobe. / Since the beginning of the last decade streaming current has seen renewed interest as a type of renewable energy harvesting. The streaming current is a phenomenon arising when a fluid moves through a porous medium or microchannels, and can be harvested as an electric current and potential. Recent works have shown power densities comparable to other energy harvesting techniques such as piezoelectricity, which opens the way to streaming current as a mean of powering low-power electronics such as wireless sensor networks. However, harvesting efficiencies have yet to reach higher than a few percents. A promising possibility is the use of superhydrophobic surfaces inside the microchannels, with theory predicting efficiencies nearing 40%. However, as of today very little experimental data is available to confirm or infirm this theory. My PhD work aimed at increasing the experimental data on whether energy harvesting streaming current through superhydrophobic microchannels increases the power generated. I have designed and fabricated several microfluidic energy harvesters with microchannel hydrophilic, hydrophobic or superhydrophobic surfaces, and characterized their electrical properties. Despite reproducibility issues and surface degradation, a net gain in power output has been recorded for superhydrophobic surfaces.

Les matériaux tétraédrites de formule chimique [(Cu,Ag)10(Zn,Fe)2(Sb,As)4S13] sont des roches naturelles particulièrement abondantes sur Terre appartenant à la famille des sels sulfurés. Longtemps étudiées du point de vue structural et pour leur composition, ce n’est que récemment qu’ils ont suscité un intérêt pour la thermoélectricité en raison de leur très faible conductivité thermique. Afin d’étudier les performances de ces matériaux en terme de conversion d’énergie, les travaux de cette thèse ont consisté à les synthétiser par métallurgie des poudres puis à mesurer leurs propriétés thermoélectriques aussi bien à basse température (2 – 300 K) pour identifier les mécanismes microscopiques qui gouvernent les propriétés de transport qu’à haute température (300 – 700 K) pour déterminer leur domaine d’application optimal. L’étude de leur homogénéité chimique et de leur stabilité thermique a permis de confirmer l’existence d’une transition structurale pour certaines compositions menant à la séparation de phases lors du refroidissement, mécanisme connu en minéralogie et en géologie sous le terme d’exsolution. Celui-ci peut être responsable d’une modification des propriétés de transport et notamment d’une diminution de la conductivité thermique de l’ordre de 50%. De nombreuses substitutions ont été entreprises afin de tenter d’optimiser les performances de ces composés. Les matériaux tétraédrites présentent un caractère métallique qui évolue vers un état semi-conducteur selon la nature de l’élément en substitution et de sa concentration. D’autre part, une étude détaillée des propriétés thermiques de ces matériaux par diffusion inélastique des neutrons a permis de déterminer l’origine microscopique des très faibles valeurs de conductivité thermique observées dans ces matériaux / Tetrahedrite with general chemical formula [(Cu,Ag)10(Zn,Fe)2(Sb,As)4S13] are a family of natural minerals, widely spread on Earth, which belongs to the sulfosalt class of compounds. Discovered in the 19th century and extensively studied by mineralogists over the last 60 years from both structural and chemical points of view, it is not until recently however that they have focused attention in thermoelectricity due to their very low thermal conductivity. In order to study the performance of these materials in terms of energy conversion by thermoelectric effect, this thesis consisted in synthesizing tetrahedrite materials by powder metallurgy method and in determining their transport properties both at low (2-300 K) and high temperatures (300-700 K). This wide temperature range enabled us to identify the microscopic mechanisms that govern the transport properties and to assess their thermoelectric performances. The study of their chemical homogeneity and thermal stability has confirmed the existence of a structural transition for certain compositions leading to phase separation upon cooling, a mechanism known in mineralogy and geology as an exsolution process. This mechanism is responsible for a modification of the transport properties and especially an impressive decrease in the thermal conductivity of the order of 50%. Numerous substitutions have been undertaken in an attempt to optimize the thermoelectric performances of these compounds. Tetrahedrite materials exhibit a metallic character that evolves into a semiconductor state depending on the chemical nature of the substituting element and on its concentration. Moreover, a detailed study of the thermal properties of these materials by inelastic neutron scattering has unveiled the microscopic origin of the very low thermal conductivity values observed in these materials

Στην διπλωματική εργασία που ακολουθεί, παρουσιάζεται η προσομοίωση και μελέτη ενός υβριδικού συστήματος διανεμημένης παραγωγής. Το σύστημα που εξετάζεται είναι ένα υβριδικό σύστημα ηλεκτροπαραγωγής που αποτελείται από μία ανεμογεννήτρια, μια φωτοβολταϊκή συστοιχία και μία γεννήτρια diesel. Για τη προσομοίωση του συστήματος χρησιμοποιείται το πρόγραμμα σχεδίασης και προσομοίωσης ηλεκτρικών συστημάτων PSCAD. Η εργασία επικεντρώνεται στη δομή και λειτουργία του συστήματος τόσο στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας όσο και στη συμπεριφορά του συστήματος σε διάφορα μεταβατικά φαινόμενα. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εξετάζονται είναι τα εξής: • Μείωση προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκη συστοιχία • Αποσύνδεση Ανεμογεννήτριας από το δίκτυο • Τριφασικό βραχυκύκλωμα ως προς την γή στον ζυγό της γεννήτριας diesel • Απότομη αύξηση του φορτίου Στο 1ο Κεφάλαιο, γίνεται μια αναφορά στα υβριδικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, στα συστήματα κατανεμημένης παραγωγής, στις δομές τους και στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επίσης αναφέρονται μερικές εφαρμογές τους. Στο 2ο Κεφάλαιο, περιγράφονται ξεχωριστά τα στοιχεία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και τα υπόλοιπα στοιχεία του υβριδικού συστήματος διανεμημένης παραγωγής που απαρτίζουν την εργασία. Ταυτόχρονα παρουσιάζονται και αναλύονται οι μαθηματικές σχέσεις σύμφωνα με τις οποίες λειτουργεί το σύστημα. Στο 3ο Κεφάλαιο, εισερχόμαστε στο περιβάλλον του προγράμματος μοντελοποίησης PSCAD, παρουσιάζεται και περιγράφεται η δομή και τα στοιχεία που αποτελούν το υβριδικό δίκτυο ηλεκτροπαραγωγής, ενώ γίνεται και αναφορά στις προδιαγραφές που πρέπει να τηρούνται από το σύστημα διανεμημένης παραγωγής. Στο 4ο Κεφάλαιο, παρατηρείται η συμπεριφορά ολόκληρου του συστήματος στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας καθώς και των επιμέρους υποσυστημάτων. Στο 5ο Κεφάλαιο, εξετάζεται η συμπεριφορά ολόκληρου του συστήματος καθώς και των επιμέρους υποσυστημάτων στις διαταραχές που έχουμε περιγράψει παραπάνω. Στο 6ο Κεφάλαιο και τελευταίο, καταλήγουμε σε συμπεράσματα τα οποία προέκυψαν από την μελέτη του υβριδικού συστήματος που παρουσιάστηκε. / The thesis that follows, presents the simulation and design of a hybrid distributed system of electrical power generation. The system presented, consists of a wind turbine, a photovoltaic array and a diesel generator. For the system simulation we use the drawing and simulation of electrical systems program, PSCAD. The project focuses on the structure and operation of the system both at steady -permanent state and in system behavior in various transient situations. The transients considered are the following: • Reduction in incident solar radiation into array • Wind Turbine disconnection from the network • Three-phase short circuit as for ground under the rule of the diesel generator • Sharp load increase In 1st chapter, there is a reference to hybrid power generation systems, distributed generation systems, their structures and the renewable sources of energy. Also some applications are mentioned. In 2nd chapter, there is a description of the elements that produce electrical energy and the other elements of the hybrid system of distributed production of electrical energy which are used in the system. At the same time there are presented and analyzed the mathematical relations under which the system operates. In 3rd chapter, we enter the interface of the PSCAD modeling program, present and describe the structure and components of the hybrid power grid, while we also make a reference to the specifications that have to be met by the system of distributed production. In 4th chapter, is examined the behavior of the whole system as well as of the individual subsystems in steady-permanent state. In 5th chapter, is examined the behavior of the entire system as well as of the individual subsections during the disturbances which we have described above. In 6th chapter and last, we come to conclusions that emerged from the study of the hybrid system presented.

Τα τελευταία χρόνια έχει αρχίσει να διαδίδεται με γρήγορους ρυθμούς η μέθοδος μεταφοράς ισχύος μέσω συνεχούς ρεύματος. Προς αυτή την κατεύθυνση ώθηση έδωσε η ανάπτυξη νέων ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων οδηγώντας σε περεταίρω ανάπτυξη και χρήση των συστημάτων μεταφοράς με συνεχές ρεύμα. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία μελετάται ένα σύστημα μεταφοράς ισχύος με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος (HVDC), που συνδέεται ανάμεσα σε δυο εναλλασσόμενα ηλεκτρικά δίκτυα με και χωρίς φορτίο. Την διασύνδεση συνεχούς ρέματος πραγματοποιούν δυο back-to-back AC/DC μετατροπείς VSC, που αναλαμβάνουν τους ρόλους του ανορθωτή και του αντίστροφα ισχύος. Οι μετατροπείς χρησιμοποιούν την διαμόρφωση πλάτους παλμού PWM. Αρχικά μελετάται θεωρητικά το μοντέλο των μετατροπέων και του back-to-back HVDC συστήματος και στην συνέχεια σχεδιάζεται και αναλύεται η λειτουργία του ανάμεσα σε δυο δίκτυα εναλλασσομένου ρεύματος με ή χωρίς την ταυτόχρονη παρουσία φορτίου. Τέλος προσομοιώνεται το σύστημα μέσω του λογισμικού Matlab και συγκεκριμένα της εφαρμογής Simulink για την εξαγωγή συμπερασμάτων. / In the past few years the method of power transmission by means of direct current has expanded rapidly. To this direction a push forward has been given by the development of new semi-conductive switching valves leading to a further development of transmission systems by direct current. In this thesis what is considered is a power transmission system via direct current HVDC connected between two AC electric networks with or without load. The direct current connection is achieved through back-to-back AC/DC converters VSC which undertake the role of rectifier and that of inverter of power. The converters use the Pulse Width Modulation (PWM). At first the converter model and the back-to-back HVDC system is theoretically approached and in the process what is designed and analyzed is its function between two networks of AC current with or without the simultaneous presence of load. Finally the system is simulated through software Matlab and specifically the application of simulink in order to draw conclusions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός υβριδικού συστήματος, που αποτελείται από φωτοβολταϊκά και κυψέλες καυσίμου τα οποία τροφοδοτούν ένα μικροδίκτυο. Το φορτίο το οποίο καλείται το σύστημα να καλύψει είναι 30kW και 15kVar. Για τη μοντελοποίηση του συστήματος χρησιμοποιείται το πρόγραμμα σχεδίασης και προσομοίωσης ηλεκτρικών συστημάτων PSCAD. Στην εργασία αυτή το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στη συμπεριφορά του συστήματος στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και στη συμπεριφορά σε κάποια μεταβατατικά φαινόμενα. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εξετάζονται είναι τα εξής: - Συμπεριφορά συστήματος σε μεταβολές της ηλιοφάνειας. - Απόκριση συστήματος σε μεταβολές του φορτίου. - Τριφασικό και μονοφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη στη γραμμή. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές, στην εξέλιξή και στην προοπτική τους στο μέλλον. Στη συνέχεια περιγράφονται τα διάφορα είδη των υβριδικών συστημάτων και γίνεται αναφορά για τη διεσπαρμένη παραγωγή και τα μικροδίκτυα. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται η λειτουργία των φωτοβολταϊκών κυττάρων, παρουσιάζονται οι I-V και P-V χαρακτηριστικές και στη συνέχεια ακολουθεί αναλυτική περιγραφή του μοντέλου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας που θα χρησιμοποιήσουμε στην προσομοίωση στο PScad. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται η λειτουργία των κυψελών καυσίμων και παρουσιάζονται τα διάφορα είδη κυψελών που υπάρχουν στις μέρες μας. Εν συνεχεία ακολουθεί αναλυτική περιγραφή της λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολυτικής μεμβράνης PEM FC καθώς αυτό το είδος των κυψελών καυσίμου χρησιμοποιούμε στο σύστημά μας. Τέλος, κατασκευάζεται το μοντέλο της PEM FC και ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή του μοντέλου. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται αναφορά στους dc/dc μετατροπείς ανύψωσης τάσης και στις περιοχές λειτουργίας τους. Εν συνεχεία γίνεται διαστασολόγηση του ανυψωτή τάσης και παρουσιάζεται το σύστημα ελέγχου του. Επίσης μελετάται η λειτουργία του ανυψωτή ως ανιχνευτή του σημείου μέγιστης ισχύος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και γίνεται προσομοίωση των κυψελών και της φωτοβολταϊκής συστοιχίας με τους dc/dc μετατροπείς που χρησιμοποιούνται. Στο κεφάλαιο 5 ακολουθεί η περιγραφή της λειτουργίας των μονοφασικών και τριφασικών αντιστροφέων DC/AC και παρουσιάζεται αναλυτικά η στρατηγική της διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Τέλος, γίνεται υπολογισμός των τιμών του φίλτρου που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα και στη συνέχεια προσομοιώνεται και μελετάται το μοντέλο του αντιστροφέα που χρησιμοποιούμε στο σύστημά μας. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται η πλήρη προσομοίωση του συστήματος. Περιγράφονται επίσης και τα μοντέλα του φορτίου, του Μ/Σ, του δικτύου και της μηχανής παραγωγής σφαλμάτων. Τέλος, παρουσιάζονται και περιγράφονται τα αποτελέσματα των μελετών που πραγματοποιούνται στο σύστημα (απόκριση συστήματος σε κανονικές συνθήκες, απόκριση συστήματος για μεταβολή της ηλιοφάνειας, μελέτη συστήματος στη μεταβολή του φορτίου, προσομοίωση συστήματος για σφάλματα στη γραμμή). / The current diploma thesis presents the study and simulation of a hybrid system, which consists of a Photovoltaic Array (PV) and a Fuel Cell stack (FC), which supports a microgrid. The critical load that the system supports is 30kW and 15kVar. For the system modelling the program of designing and simulation of electric systems PSCAD is used. At this project the interest is focused in the behavior of system in the permanent situation of operation and in the behavior in certain transient phenomena. The transient phenomena that are examined are the following: - Behavior of the system in variations in solar insolation. - System’s response to variations of the load. - Fault analysis (single line to ground and three-phase line to ground short circuit). In Chapter 1 there is a description of renewable energy sources, their development and prospects in the future. Afterwards, the different kinds of hybrid systems are mentioned and there is a reference in distributed generation and microgrids. In Chapter 2 the function of photovoltaic cells and different kinds of photovoltaic technologies are described. Furthermore, I-V and P-V characteristic are presented and then follows an analytical description of the photovoltaic model that we use in our simulation in PScad. In Chapter 3 , the function of the Fuel Cells is described and the different kinds of fuel cells are presented. Afterwards, there is an analytical description of the proton exchange membrane fuel cells (PEM FC) as we use this kind of FC in our system. Finally, the PEM FC model is constructed and an analytical description of the model is made. The Chapter 4 entails information for the dc/dc boost converters and their operating modes. Subsequently the control system of the dc/dc boost converter is presented. Finally, the utilization of the boost converter as a maximum power point tracker is examined and the simulation of the FV and PV with the boost converter is presented. In Chapter 5 there is a description of the function of the single-phase and three-phase dc/ac inverters and the technique of the pulse-width modulation (PWM) is presented. Finally, the value of the output filter of the inverter is calculated and then the model of the dc/ac inverter, which we use in our system, is simulated. In Chapter 6 there is a simulation of the whole system. Furthermore, the models of the load, the transformer and the fault generator are described. Finally, the results of the simulations for which the system was tested is presented (system response to normal conditions, system response to changes in the insolation, System’s response to variations of the load, system response to grid faults).