L'objectif de ce travail en cotutelle entre l'Université Technique de Sofia et l'Université de Corse, consiste à étudier différentes structures de systèmes hybrides à sources d'énergie renouvelables et ce, dans deux cadres : des processus à variation lente (aspect énergétique) et à variation rapide (aspect électrique). Après une étude bibliographique basée sur une littérature internationale, une étude du potentiel éolien et solaire et de leur complémentarité est réalisée pour différentes stations Bulgares et Corses Les différents modèles de comportement des générateurs du système hybride ont été présentés et validés : photovoltaïque et éolien, puis une analyse des performances d'un système éolien/PV/Stockage et en son dimensionnement optimisé a été réalisé. Le choix du mode de stockage s'est porté sur les Stations de Pompage à Transfert d'Energie (STEP) et l'apport d'un tel stockage sur l'augmentation du taux de pénétration des sources d'énergie renouvelables a été estimé dans le cas du réseau électrique corse. Dans le cadre de l'étude des processus à variation rapide, l'attention a été portée vers les éléments du système hybride dans lesquels intervient une machine asynchrone. Des modèles de machine asynchrone, de convertisseur de tension réversible et de systèmes de contrôle sous différentes configurations ont été développés et validés expérimentalement. Le modèle de simulation a été adapté et mis en oeuvre dans un système microprocesseur dSPACE, qui permet le contrôle des convertisseurs électroniques dans le circuit du rotor de la machine asynchrone à double alimentation en temps réel.

Un moteur Ericsson est un moteur alternatif à apport de chaleur externe, à enceinte de compression et de détente distinctes, à récupérateur et à fluide de travail monophasique gazeux. Il fonctionne selon le cycle thermodynamique de Joule. Dans notre travail, nous avons tout d'abord développé un modèle théorique original de moteur volumétrique à cycle de Joule (moteur Ericsson). Les résultats théoriques obtenus sont présentés et commentés. Ensuite, nous avons caractérisé le prototype de machine de détente de moteur Ericsson qui a été réalisé au sein du LaTEP, soit la partie la plus délicate du moteur. Les résultats des essais en ‘mode moteur' et en ‘mode moteur entraîné' sont présentés, avec leurs commentaires et analyses. Les performances du prototype sont très encourageantes et sont conformes à celles de travaux théoriques antérieurs. Il a donc été décidé de concevoir et réaliser la partie compresseur du moteur qui a ainsi été ajoutée au prototype, de sorte que nous disposons à présent d'un prototype de moteur Ericsson complet.

Les collecteurs des centrales solaires thermodynamiques sont l’un des postes d’investissement principaux et présentent des performances pouvant encore être améliorées. Face à ce constat, ces travaux de thèse explorent les multiples voies d’amélioration de l’efficacité du champ solaire et si possible de réduction du coût des trois types de surface le constituant : réflecteurs, vitres antireflet, absorbeurs sélectifs. Pour cela, nous avons développé un programme de simulation et d’optimisation (algorithme stochastique) permettant d’étudier et de maximiser les performances solaires des couches minces optiques assurant les trois fonctions des collecteurs solaires. Nous avons ainsi identifié des solutions à la fois de très haute performance, économes en matériaux rares et intégrant les questions de durabilité. Afin de tirer le plein potentiel des solutions identifiées, nous avons en particulier conduit des modélisations multicritères poussées, en étudiant l’impact de la géométrie du collecteur, des conditions atmosphériques spécifiques du lieu d’installation et des problématiques liées au choix des matériaux et à la fabrication des surfaces (rugosité, incertitudes d’épaisseur et de composition). / Solar thermal power plants use large and expensive solar fields to collect solar energy, the performance of which can still be improved. Faced with this situation, this thesis explores multiple pathways to improve performance and if possible reduce cost of the three types of surfaces encountered in solar collectors: reflectors, antireflective windows, selective absorbers. For this purpose, we have developed a simulation and optimization (stochastic algorithm) program, to study and maximize solar performance of the thin films ensuring the three functions of solar collectors. We have identified several solutions which combine high performance, scarce use of rare materials and durability. To reach the full potential of all identified solutions, we have conducted advance multi- criteria analysis, by studying the impact of collector geometry, local atmosphericconditions and problematics related to material selection and surface fabrication (roughness, thickness and composition errors).

L'objet de cette thèse est de démonter la faisabilité de conception d'un mini-drone longue endurance sans recourir à des véhicules de grande envergure qui nécessite des infrastructures supplémentaires, des systèmes de lancement complexes et un personnel d'exploitation important. Pour ce faire, une approche d'optimisation globale du problème a été utilisée, en s'appuyant sur les spécificités de chacun des aspects de la conception de mini-drones. Ce concept de mini-drone longue endurance doit repousser les limites dans plusieurs disciplines telles que l'aérodynamique, la propulsion, les structures, les sources d'énergies et le stockage, le contrôle et la navigation, ainsi que la miniaturisation de l'électronique embarquée. Un programme de conception baptisé Cdsgn a été développé et prend en compte les problèmes spécifiques de chaque discipline consacrées aux mini-drones. Il permet de voir l’influence de chaque paramètre de conception sur la performance finale de la conception, menant à la sélection optimale des paramètres. Cdsgn génère et analyse rapidement de nombreuses configurations de l'avion tout en simulant la performance de chaque configuration pour un pro fil de mission donnée. Un outil de post-traitement a également été développé afin de filtrer et sélectionner de manière interactive les paramètres de conception parmi les nombreuses configurations pour répondre à des applications pratiques. Le programme proposé a été utilisé dans le développement et la conception de plusieurs projets, tels que Solar Storm, premier mini-drone hybride au monde à énergie solaire d'une envergure de cinquante centimètre, SPOC, un mini-drone longue distance conçu pour voler au-dessus de la mer Méditerranée de Nice jusqu'en Corse (Calvii) et enfin Eternity, mini-drone de longue endurance d'une envergure d'un mètre, avec une configuration classique. Capable d'une autonomie de quatre heures avec les batteries embarquées, son temps de vol peut être amélioré jusqu’à huit heures avec l'utilisation de l’énergie solaire. En utilisant les évaluations de chaque projet, Cdsgn a été amélioré à la fois pour l'exactitude des calculs et pour la performance opérationnelle afin de développer le plus petit véhicule aérien pour une mission d'endurance donnée. / This thesis shows the feasibility of designing a long endurance mini UAV without resorting to large scale vehicles which requires additional infrastructure, complex launching systems and numerous operating crew. To do so is possible by using a global optimisation approach concentrated specifically on each aspect of the mini-UAV design with their particular challenges. So called Long Endurance Mini UAV Concept has to push the limits in several disciplines such as aerodynamics, propulsion, structures, energy source and storage, control and navigation, miniaturised electronics. A conceptual design program called Cdsgn is developed which takes into account each discipline's specific problems devoted to mini UAVs and making it possible to see the influence of each design parameter on the final performance of the complete design leading to the optimum selection of parameters. Cdsgn generates and analyse numerous aircraft configurations rapidly while simulating the performance of each configuration for a given mission profile. A post processing tool is also developed in order to interactively filter and select the final design parameters among numerous analysed aircraft configurations for practical applications. The proposed program is used in the development and design of several projects, such as Solar Storm, the world's first hybrid solar powered micro UAV in half a meter scale, SPOC, a long range mini UAV which is designed to fly across the Mediterranean sea from Nice to Corsica (Calvi) and finally the Eternity, the long endurance mini UAV concept which is an electrically powered, one-meter span aircraft with a conventional configuration having an endurance of four hours with the on-board batteries which can be enhanced up to eight hours with the use of solar-cells. Using the feedback of each project, Cdsgn has been improved both for the accuracy and for the operational performance in order to develop the smallest aerial vehicle for a given endurance mission.

Dans un contexte de réduction des émissions de gaz à effet de serre et de raréfaction des ressources fossiles et fissiles, l'énergie solaire est l'une des sources d'énergie les plus prometteuses. La quantité d'énergie renouvelable dans le futur paysage énergétique dépend de sa disponibilité, de son coût et de son niveau d'efficacité. Plusieurs enjeux limitent actuellement le développement de l'énergie solaire. Parmi eux, l'élévation de la température des cellules induit une dégradation du productible d'environ 12% dans le cas général. En dépit de ce constat, la structure actuel des modules PV n'a pas variée depuis sa création dans les années 70. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les facteurs d’impact qui gouverne l'élévation de la température du module PV en vue d’identifier les moyens de la réduire de manière significative. Un modèle multi-physique est construit pour prédire le comportement du module dans les conditions environnementales de production. Le modèle thermique est basé sur la radiation en milieu semi-transparent. Cette caractéristique conduit à déterminer les équations généralisées de Fresnel pour les milieux absorbants. Cela nous autorise à déterminer la caractéristique spectrale et angulaire de l’émissivité du verre. Le modèle de couplage optique-thermique-électrique est comparé aux mesures en conditions réelles et est capable de prédire le comportement du module sur une période de vingt-quatre heures. Le modèle est en mesure d’évaluer le gain obtenu en optimisant les composants du module. Une étude paramétrique identifie enfin les différentes améliorations permettant d’obtenir une réduction de la température de fonctionnement des modules PV. Cette thèse inclut un état de l'art (chapitre 1), une étude du transfert de chaleur radiative à l'échelle du module PV (chapitre 2), la description détaillée du modèle multiphysique (chapitre 3), l'étude du module PV au travers de la modélisation (chapitre 4), une étude paramétrique (chapitre 5) et une conclusion (chapitre 6). / In the context of greenhouse gas emissions and fossil and fissile resources depletion, solar energy is one of the most promising sources of power. The amount of renewable energies in the future energy mix depends on their availability, on their cost and on their level of efficiency. Various issues still limit the development of the solar energy. Among them, the temperature elevation into the module induces an efficiency degradation of 12% in standard cases. In spite of this statement, the actual solar module structure has not changed since its creation in the seventies, and the technologies are still evaluated at room temperature. The objective of this thesis is to study the impact factors which govern the module temperature elevation in order to identify ways to apply a significant reduction. A multi-physics modeling is built in order to predict the module behavior depending on the environmental conditions. The thermal modeling is grounded on the radiation into participating media. This feature leads to the determination of generalized Fresnel equation for absorbing media. It allows us to determine a spectral and hemispherical value of the glass emissivity. The optical-electrical-thermal modeling has been compared to measurement in real conditions and is able to predict the module behavior over a one-day period. It allows the evaluation of the gain obtained by optimizing the module components. A parametrical study identifies several improvements to lower the module operating temperature. The PhD work includes a state-of-the-art study (chapter 1), a study of the radiation heat transfer at PV module scale (chapter 2), the details of the multiphysics modeling (chapter 3), the study of the PV module through the modeling (chapter 4), a parametrical study (chapter 5) and a conclusion (chapter 6).

Des nanostructures basées sur des différences de cristallinité ont été insérées dans des cellules test en silicium par des techniques d’amorphisation innovantes. Un nouveau mécanisme de multiplication de porteurs a ainsi été observé. Cet effet peut provenir des niveaux d’énergie électronique introduits par de grandes densités locales de bi-lacunes. Un principe de fonctionnement impliquant des mécanismes à niveaux d’énergie multiples et un transport électronique rapide au sein de la bande d’énergie des atomes de phosphore non-ionisés a également été proposé. Cela conduit à une asymétrie favorable entre la génération et la recombinaison des porteurs libres.L’énergie nécessaire à un photon pour enclencher le procédé s’est révélée plus petite que deux fois celle de la bande interdite. L’amélioration du rendement photovoltaïque devient donc concevable et une nouvelle génération de cellules solaires à haute efficacité pourrait ainsi émerger de cet effet de multiplication à faible-énergie. / Nanostructures based on differences of crystallinity have been embedded into all-silicon test devices by innovative amorphization techniques and a new carrier multiplication mechanism was observed. This effect can indeed originate from the electron energy levels resulting from the high densities of divacancies localized at the crystalline/amorphous interfaces.An operating principle involving multiple energy level mechanisms and fast electronic transport within the unionized phosphorus energy band was also advanced. It led to a favourable asymmetry between generation and recombination of free carriers.Besides, contrary to other carrier multiplication effects, photon energy lower than twice the band gap was found sufficient to initiate the process. The enhancement of photovoltaic yields becomes therefore conceivable and propositions of prototypes are made. A new generation of high efficiency solar cells may then emerge from this Low-Energy Electron Multiplication effect.

L’objectif principal de cette thèse est de déterminer les risques et les barrières d’investissement dans le secteur des énergies renouvelables, en Tunisie, et d’en déduire les stratégies et les mécanismes à adopter pour accélérer le processus de transition vers les énergies renouvelables. Bien que les fondements de cette thèse soient basés sur l’analyse économique, elle privilégie, plutôt, une approche interdisciplinaire de management du risque. Nous avons procédé à une étude de cas d’un projet d’énergie solaire thermodynamique à concentration (le projet « TuNur ») qui aura lieu au sud de la Tunisie. Nous avons utilisé la méthode d’Analyse Globale des Risques (AGR) qui permet de déterminer les cartographies des risques (le diagramme de Kiviat et le diagramme de Farmer) ainsi que les moyens pour les réduire. L’application de cette méthode nous a permis de dégager la liste des 8 risques majeurs ainsi que les mécanismes et les stratégies à adopter pour les réduire. A la fin de cette thèse, nous avons présenté les différentes formes de gouvernance énergétique qui permettent de faciliter la diffusion des énergies renouvelables en Tunisie. Nous avons expliqué le fait que la politique énergétique de transition vers les énergies renouvelables doit être faite par les autorités publiques, au début, mais elle doit progresser rapidement vers d’autres formes de gouvernance, en passant par la participation du secteur privé et la gouvernance locale participative jusqu’à arriver à un stade où la gouvernance des risques devient nécessaire. / The main objective of this thesis is to identify and analyze the risks and barriers faced by renewable energy investors, in Tunisia, and to deduce strategies and mechanisms that should be adopted to accelerate the process of transition to renewable energies. Although the foundations of this thesis are based on the economic analysis, it favors, rather, an interdisciplinary approach of risk management.We conducted a case study of a project of concentrating solar power (the “TuNur” project) which will be held in southern Tunisia. We used the Global Risk Analysis method (GRA) which permits the determination of cartographies of risks (Kiviat diagram and Farmer diagram) and the ways to reduce them. The application of this method allowed us to generate a list of 8 major risks and the mechanisms and strategies to reduce them. At the end of this thesis, we presented the different forms of energy governance that facilitate the diffusion of renewable energies in Tunisia. We explained that the energy policy of transition to renewable energies must be made by public authorities, at the beginning, but it must quickly move to other forms of governance, through private sector participation and participative local governance until we get to a stage where the risk governance becomes necessary.

L'énergie solaire concentrée est une source d'énergie alternative pour la conversion thermochimique de biomasse en vecteurs énergétiques ou en matériaux à haute valeur ajoutée. La production d'un gaz de synthèse à partir de biomasse lignocellulosique en est un exemple, de même que la production de résidus carbonés à propriétés contrôlées. Ces travaux portent sur l'étude du comportement d'un échantillon de hêtre thermiquement épais sous de hautes densités de flux solaire (supérieures à 1000 kW/m²). Deux approches ont été développées en parallèles : une étude expérimentale et le développement d'un modèle numérique. Les expériences ont permis de mettre en lumière le comportement particulier du hêtre sous de hautes densités de flux solaire. En effet, un cratère de char, dont la forme correspond à celle de la distribution du flux incident, se forme dans l'échantillon. Cette étude a aussi montré que la teneur en eau initiale de la biomasse a un fort impact sur son comportement. Les échantillons secs peuvent atteindre un rendement de conversion énergétique de 90 %, capturant jusqu'à 72 % de l'énergie solaire incidente sous forme chimique. Quant aux échantillons humides, ils produisent nettement plus d'hydrogène, au prix d'un rendement de conversion énergétique aux alentours de 59 %. De plus, le craquage thermique et le reformage des goudrons produits par la pyrolyse sont rendus possibles par les températures atteintes (supérieures à 1200 °C) et la présence d'eau. Enfin, il a été montré que l'orientation des fibres du bois n'a qu'un impact mineur sur son comportement. En parallèle, une modélisation des transferts couplés chaleur matière et des réactions chimiques mis en jeu lors de la gazéification solaire d'un échantillon a été développée. La construction du modèle a mis en avant la nécessité de recourir à des stratégies innovantes pour prendre en compte la pénétration du rayonnement dans la matière ainsi que la déformation du milieu par la gazéification. Les prédictions du modèle montrent un bon accord avec les observations expérimentales. Elles ont ainsi permis de mieux comprendre les couplages mis en jeu lors de la dégradation de biomasse sous haute densité de flux solaire. De plus, des analyses de sensibilités ont révélé que les modèles de type Arrhenius ne permettent pas de décrire finement le comportement de l'eau à l'intérieur de l'échantillon et que le choix du modèle de pyrolyse était capital pour décrire correctement le comportement la biomasse sous haute densité de flux solaire. / Concentrated solar energy is as an alternative energy source to power the thermochemical conversion of biomass into energy or materials with high added value. Production of syngas from lignocellulosic biomass is an example, as well as the production of carbonaceous residues with controlled properties. This work focuses on the study of the behaviour of a thermally thick beech wood sample under high solar heat flux (higher than 1000 kW/m²). Two approaches have been undertaken at the same time: an experimental study and the development of a numerical model. Experiments have highlighted a specific behaviour of beech wood under high solar heat flux. Indeed, a char crater, symmetrical to the incident heat flux distribution, forms in the sample. This study has also shown that biomass initial moisture content has a strong impact on its behaviour. The dry sample can achieve an energetic conversion efficiency of 90 %, capturing up to 72 % of the incident solar power in chemical form. While, high initial moisture content samples produce more hydrogen, at the price of an energetic conversion efficiency around 59 %. Furthermore, tar thermal cracking and steam reforming are enabled by the temperatures reached (higher than 1200 °C) and the presence of water. Finally, wood fiber orientation has been shown to have only a minor impact on its behaviour. At the same time, a modelling of the coupled reactions, heat and mass transfers at stake during solar gasification was undertaken. The development of this model has highlighted the necessity to implement innovative strategies to take into account radiation penetration into the medium as well as its deformation by gasification. Numerical model predictions are in good agreement with experimental observations. Based on the model predicted behaviour, further understanding of biomass behaviour under high solar heat flux was derived. In addition, sensitivity analyses revealed that Arrhenius type models are not fitted for precise intra-particular water behaviour description and that the choice of the pyrolysis scheme is key to properly model biomass behaviour under high solar heat flux.

L’objectif du travail est la mise en place d’un pôle intégré d’excellence pour l’énergie solaire en Afrique de l’Ouest. Trois pays y ont été identifiés comme territoires d’expérimentation (Burkina Faso ; Côte d’Ivoire ; Sénégal). Les enquêtes de terrain dans ces territoires suivies d’une analyse de filière a permis de mettre en évidence les interactions entre les acteurs de la filière solaire dans les trois pays (pouvoirs publics ; recherche et formation ; entreprises ; société civile ; utilisateurs). La réalisation de matrices d’influences directes à partir des résultats de l’analyse de la filière solaire dans les pays a permis de comprendre le faible niveau de relations entre les acteurs interdépendants. Les résultats révèlent que les pouvoirs publics demeurent les acteurs dominants de la filière solaire dans les trois pays, malgré la faiblesse de leur volonté. Les entreprises privées et les organisations non gouvernementales sont des acteurs relais (entre les pouvoirs politiques et les utilisateurs) qui jouent un rôle d’installation d’équipements solaires et de développement de projets surtout en milieux ruraux. Les utilisateurs (consommateurs) de la filière solaire sont des acteurs « dominés » qui n’ont pas d’influence sur les autres acteurs notamment les pouvoirs politiques. La recherche et la formation dont les résultats se limitent à des formations théoriques ou des expérimentations non diffusées restent des acteurs isolés. Le pôle intégré construit permet de stabiliser, régulariser et faire circuler entre eux les connaissances produites et les capacités développées par les acteurs en interactions au sein d’un écosystème / The purpose of this thesis is the building an integrated excellence pole for solar energy in West Africa. Three countries have been identified as areas for experimentation (Burkina Faso; Cote d’Ivoire; Senegal). Field surveys in these territories and sector analysis allow highlighting the interactions among the solar sector actors in the three countries (political field, research and training, business, civil society, users). The realization of direct influence matrices from the results of solar energy sector analysis in the countries helped us to understand the low level of relationship among interdependent stakeholders.The results show that the public authorities are still the dominant players, despite the weakness of their willingness. Private companies and non-governmental organizations have a liaison role playing an essential task of solar equipment installation and projects development especially in rural areas. The users of the solar sector are dominated players without influence on the other players especially the public authorities. The research actors clearly appear as isolated: Their results are generally limited to theoretical courses, the conduct of experiments and prototypes that rarely reach public release phase. The constructed pole allows to stabilize, to settle and to make the produced knowledge circulate and the capacities developed by the actors in interaction within an ecosystem.

Dans le contexte énergétique mondial de raréfaction des ressources fossiles, et de réduction des émissions de gaz à effet de serre, l’agence internationale de l’énergie prévoit que la filière solaire thermodynamique fournisse en 2050 plus de 10% de l’électricité mondiale. De gros efforts de recherche sont nécessaires pour atteindre cet objectif. Les axes de développement actuels des technologies solaires à concentration portent, entre autres, sur les systèmes optiques composés de multiples miroirs (champs d’héliostats, concentrateurs linéaires de Fresnel, Beam-Down), sur les récepteurs solaires volumétriques (récepteurs à air, lits fluidisés) et sur les réacteurs (chimie à haute température, photobioréacteurs, dessalement par voie thermodynamique). Le transfert d’énergie par rayonnement est un des phénomènes prépondérants dans les systèmes optiques concentrateurs et dans les récepteurs solaires volumétriques. Les laboratoires Rapsodee et Laplace ont développé en quelques années d’étroite collaboration un savoir faire méthodologique sur la modélisation des transferts radiatifs et le calcul de sensibilité par la Méthode de Monte- Carlo et ils ont accumulé une expérience pratique, issue de la synthèse d’image, en programmation scientifique en interaction avec des chercheurs en informatique. Nous montrons dans ce manuscrit dans quelle mesure l’association de ces compétences théoriques et pratiques permet de répondre à certains besoins de la communauté du solaire à concentration et nous donnons des éléments de réponses ou des pistes à explorer en vue de surmonter les difficultés restantes que nous avons rencontrées. / The decrease of the fossil energy resources and the reduction of the emissions of greenhouse effect gas are major environmental issues. In this global situation, the International Energy Agency expects that solar power will provide more than 10% of the world electricity in 2050. Significant research efforts are needed to achieve this goal. Radiative transfer is one of the main physical phenomena in solar optical concentrators and in volumetric solar receivers. In few years of closely work, the laboratories Rapsodee and Laplace developed a methodological know-how in using Monte-Carlo methods for the modeling of radiative transfer and the sensitivity computations. They have also accumulated some experience in scientific programming and algorithms optimisation. We show in this dissertation how the combination of these physicists theoretical and practical skills can meet certain needs of the community of solar concentration. We give some answers or clues to be explored to get through the remaining difficulties we encountered.