Th. doct.-ing.--Toulouse 3, 1978. N°: 633.

L´intérêt grandissant pour les bâtiments à haute efficacité énergétique nécessite le développement de nouveaux types d´enveloppe active et multifonctionnelle pouvant couvrir une partie des besoins énergétiques du bâtiment. Les travaux présentés dans cette thèse concernent le développement de capteurs hybrides solaires photovoltaïques thermique pour la production simultanée d´eau chaude sanitaire et d´électricité au sein d´un unique capteur. L’objectif de cette thèse a été dans un premier temps d´analyser la faisabilité et la complexité du concept de capteur hybrides PV-T. Puis, à partir d’un modèle numérique développé spécifiquement pour appuyer la phase de conception du capteur PV-T les raisons expliquant la limitation des performances de tels capteurs ont été analysées, pour enfin proposer différentes solutions innovantes, tant au niveau des cellules solaires que des matériaux du modules PV et du design du capteur final afin d´en augmenter les performances. L´approche développée est par conséquent multi-échelle allant de la prise en compte des phénomènes physiques pris isolément, des propriétés locales des matériaux jusqu’à la mise en œuvre d’un composant et à l´analyse énergétique et exergétique de ses performances dans un environnement numérique dédié au bâtiment. / 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 building sector is one of the biggest energy consumers after the transport and industrial sectors. Therefore, making use of a building’s envelope (façades and roofs) as solar collecting surfaces is a big challenge facing local building needs, specifically in regard to heat, electricity and cooling. However, available surfaces of a building with suitable orientation are always limited, and in many cases a conflict occurs between their use for either heat or electricity production. This is one of the reasons why the concept of a hybrid photovoltaic-thermal (PV-T) collector seems promising. PV-T collectors are multi-energy components that convert solar energy into both electricity and heat. In fact, PV-T collectors make possible the use of the large amount of solar radiation wasted in PV modules as usable heat in a conventional thermal system. Therefore, PV-T collectors represent in principle one of the most efficient ways to use solar energy (co-generation effect). However, such a concept still faces various barriers due to the multidisciplinary knowledge requirements (material, semi-conductors, thermal) and to the complexity of the multiple physical phenomena implied in such concepts.The objective of this PhD work is to carry out a study based on a multi-scale approach that combines both numerical and experimental investigations regarding the feasibility of the concept of hybrid solar collector. The performance of such components is estimated through an appropriate design analysis, and innovative solutions to design an efficient PV-T collector are presented. Based on improved processing methods and improved material properties, an efficient covered PV-T collector has been designed and tested. This collector was made of PV cells connected to the surface of an optimized flat heat exchanger by an improved lamination process and covered on the front side by a static air layer and AR-coated glass pane and on the back side by thermal insulation material. The results showed a significant improvement of both thermal and electrical efficiency in comparison to all previous works on PV-T concepts found in the literature. System simulations were carried out for a hot water system with the software TRNSYS in order to get a clearer statement on the performance of PV-T collectors. The results show that the integration of PV-T collectors can be more advantageous than standard solar components in regard to thermodynamic considerations (energy and exergy) and environmental considerations (CO2 and primary energy saving).

Le stockage par supercondensateurs de l'énergie photovoltaïque est modélisé afin de disposer d'un modèle suffisamment fin et accessible permettant de les intégrer dans des chaînes de conversion de l'énergie solaire. Les supercondensateurs sont modélisés par un circuit multibranche comportant des résistances et capacités variables suivant la tension, dont les valeurs sont déterminées par une expérience de caractérisation ayant une bonne précision. Par ailleurs, tous les éléments d'une chaîne typique de conversion de l'énergie photovoltaïque sont modélisés avec le logiciel Matlab/Simulink (gisement solaire, conversion photovoltaïque des panneaux, régulateur, batterie et charges). Le modèle de stockage de l'énergie photovoltaïque par supercondensateurs est ensuite validé par la bonne concordance des mesures relevées en conditions réelles avec les résultats donnés par les simulations. Enfin, deux exemples d'exploitation du modèle sont proposés et discutés : la détermination du temps de charge des supercondensateurs suivant l'éclairement solaire et la température ambiante, et l'intégration des supercondensateurs dans la chaîne d'alimentation électrique d'un moteur à courant continu permettant de réduire les sollicitations électriques sur la batterie lors de l'appel de puissance nécessaire au démarrage du moteur / The storage by ultracapacitors of photovoltaic energy is modeled in order to have an accurate and accessible model to integrate ultracapacitors into solar energy conversion systems. Ultracapacitors are modeled by a multibranch circuit representation composed of resistors and capacitors with variable voltage whose values are determined by an accurate characterization experiment. Moreover, all the elements of a typical photovoltaic energy conversion system are modeled by using the Matlab/Simulink software (solar radiation, photovoltaic panels, batteries and charges). The energy storage model by ultracapacitors is then validated by the good agreement of measured values taken in real conditions with the results provided by simulations. Finally, two examples are proposed and discussed: the determination of the storage duration of ultracapacitors versus solar irradiance and ambient temperature, and the integration of ultracapacitors in the electrical feeding system of a DC motor to reduce the electrical current peak of the battery at the start of the motor

Peu de stations au sol mesurent l'éclairement et des méthodes ont été développées pour l'évaluer à partir d'images prises par des satellites géostationnaires ou en orbite polaire. Dans les méthodes actuelles, dites inverses, le signal perçu par le satellite est inversé pour dériver le rayonnement au sol. Il est estimé de manière générale que les limites des méthodes inverses sont certainement atteintes en terme de précision. En conséquence, une nouvelle voie, basée sur la modélisation directe de la propagation du rayonnement solaire dans l'atmosphère, est explorée. Dans cette thèse, nous concevons une nouvelle méthode -dite Heliosat-4- basée sur le code de transfert radiatif libRadtran et tirant profit des produits de meilleure qualité, extraits des nouvelles capacités d'observation de la terre. Dans cet objectif, nous avons - par une analyse de sensibilité, établi les entrées nécessaires pour toute méthode basée sur un code de transfert radiatif, - établi que l'éclairement au sol pour une atmosphère nuageuse peut être considéré comme égal au produit de l'éclairement obtenu par ciel-clair et d'une fonction de l'extinction due aux nuages et de la contribution de la réflectance du sol, - mis en œuvre des approximations de l'équation de transfert radiatif pour des atmosphères claire ou nuageuse, permettant des calculs rapides. Heliosat-4 est affranchi des paramètres empiriques, facile à implémenter et fournit simultanément les composantes directe, diffuse et la distribution spectrale de l'éclairement. Ces caractéristiques, bien que nécessaires pour différentes applications, sont rarement fournies. Les premiers résultats de la validation de cette nouvelle méthode avec les mesures sol sont prometteurs : les performances observées sont proches de celles des méthodes actuelles.

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

Le stockage par supercondensateurs de l'énergie photovoltaïque est modélisé afin de disposer d'un modèle suffisamment fin et accessible permettant de les intégrer dans des chaînes de conversion de l'énergie solaire. Les supercondensateurs sont modélisés par un circuit multibranche comportant des résistances et capacités variables suivant la tension, dont les valeurs sont déterminées par une expérience de caractérisation ayant une bonne précision. Par ailleurs, tous les éléments d'une chaîne typique de conversion de l'énergie photovoltaïque sont modélisés avec le logiciel Matlab/Simulink (gisement solaire, conversion photovoltaïque des panneaux, régulateur, batterie et charges). Le modèle de stockage de l'énergie photovoltaïque par supercondensateurs est ensuite validé par la bonne concordance des mesures relevées en conditions réelles avec les résultats donnés par les simulations. Enfin, deux exemples d'exploitation du modèle sont proposés et discutés : la détermination du temps de charge des supercondensateurs suivant l'éclairement solaire et la température ambiante, et l'intégration des supercondensateurs dans la chaîne d'alimentation électrique d'un moteur à courant continu permettant de réduire les sollicitations électriques sur la batterie lors de l'appel de puissance nécessaire au démarrage du moteur

Le travail de thèse effectué a pour objectif d'amener vers une meilleure compréhension des comportements électrique et optique des modules CPV, dans des conditions environnantes variables. La première partie est consacrée à l’étude de la performance des modules en conditions réelles de fonctionnement. Quatre technologies de module, toutes équipées de cellules triple-jonctions, mais de concentrateurs optiques différents, ont été testées en extérieur sur des périodes de un mois à deux ans. Les résultats montrent que la sensibilité à la température de lentille, la température de cellule et au spectre incident varie selon le type d'architecture optique. La sensibilité la plus importante à la température de lentille a été obtenue pour un dispositif sans optique secondaire. Le coefficient en température de la tension Voc a été calculé et varie entre les technologies. Enfin, les variations importantes de facteur de forme avec le spectre incident observées pour une technologie, mettent en évidence la nécessité d'étudier les phénomènes de non-uniformités d'irradiance sur la cellule. Dans une deuxième partie, le développement d’un banc de test en intérieur permettant de mesurer les performances électriques et optiques est présenté. Ce banc a pour objectif de permettre la reproduction des conditions réelles de fonctionnement des modules de façon contrôlée en intérieur. Un système d’imagerie est utilisé pour déterminer la distribution spatiale et spectrale d’irradiance sur la cellule. Associé à un traceur de courbes IV, il vise à caractériser les effets de flux non-uniformes sur la cellule. Le banc de mesure a pour avantage de découpler les paramètres d’études, telles que la température de la lentille et la température de la cellule, et permet ainsi de décorréler leurs effets respectifs sur l'ensemble optique-cellule, ce qui n’est que difficilement possible sur des mesures en extérieur. Le procédé de calibration et la validation du dispositif sont détaillés dans le manuscrit. Enfin, dans une dernière partie, le banc développé est utilisé pour caractériser trois différents dispositifs CPV : un sans optique secondaire, et deux avec des optiques secondaires différentes. Les impacts de la distance lentille-cellule et de la température de lentille sur les performances de la cellule sont quantifiés optiquement et électriquement. Les résultats montrent comment ces paramètres modifient la distribution de densités de courant des sous-cellules, et donc le comportement électrique du dispositif. Ils soulignent plus spécifiquement comment les non-uniformités spectrales et spatiales affectent les performances de la cellule pour les différents concentrateurs. Le dispositif sans optique secondaire montre une sensibilité importante à la température de la lentille et la distance optique primaire-cellule, qui se traduit par une perte de production d'énergie dans des conditions réelles de fonctionnement. / The goal of this doctoral thesis is to bring answers to a better understanding of the electrical and optical behavior of CPV modules, under different operating conditions. In the first part, a study on module performance under real conditions is presented. Using an outdoor automated test bench, the sensitivity of four different CPV module technologies to most operating conditions relevant to CPV systems has been studied, namely DNI, spectrum, cell and lens temperature and clearness of the sky. In order to isolate the influence of a single operation parameter, the analysis of outdoor monitoring data from one month to two years is performed. The results show how the optical design influences the sensitivity of the electrical parameters to the mentionned operating conditions. The effect of lens temperature on cell current has been found to be maximum for the CPV module without Secondary Optical Element. Also the $V_{oc}$ thermal coefficient was found to vary between module technologies. Finally, the important variations of the fill factor for one technology underlines the need of studying non-uniformities effects on the cell performance. According to the results observed outdoors, an indoor tool was developed in order to uncorrelate outdoor parameters. A test bench that measures multi-spectral irradiance profiles, through CMOS imaging and bandpass filters in conjunction with electrical $IV$ curves, is used as a mean to visualize and characterize the effects of chromatic aberrations and nonuniform flux profiles under controllable testing conditions. The bench allows decoupling the temperatures of the Primary Optical Element and cell allowing the analyze of their respective effects on optical and electrical performance. In varying the temperature of the Primary Optical Element, the effects on electrical efficiency, focal distance, spectral sensitivity, acceptance angle, or multi-junction current matching profiles can be quantified. Calibration procedures and validation process are detailed. Finally, the developed testbench is used for analyzing the behvaior of three different CPV devices : one without Secondary Optical Element, and two with different Secondary Optical Elements. The impacts of cell position and lens temperature on the cell performance are quantified optically and electrically. The results show how these parameters modify the current density distribution of the subcells, and hence the electrical behavior of the device. They underline more specifically how spectral and spatial non-uniformities affect the cell performance for the different devices. The device without SOE shows a strong sensitivity to lens temperature and POE-cell distance, that will correspond to a decrease of energy production under real conditions of operation.

Ø / The dissertation is presented on 252 content pages which has been framed in five chapters and two annexures while the title page opens into a list of abbreviations followed by a foreword on the work. The core theme of the research work is to validate the extended photocatalytic properties of porphyrin-POM materials in evolving from UV to visible light range of solar spectrum. Which describing additional modes for synthesis of hybrid materials (i) electrostatic multilayer’s comprising of Dawson , sandwich Dawson type and preyssler,s POM in combination with free base tetracationic porphyrin [H₂TPhN(Me)₃P⁴⁺] (ii) an easy method of synthesis of two dimers with a pyridinium spacer (abbreviated 4-H₂–Zn and 3-H₂–Zn) (iii) Langmuir Schafer approach for hybrid monolayer. The prepared photoactive thin layers have been characterized by UV-visible spectroscopy and fluorescence spectroscopy for optical properties. Cyclic voltammetry for electrochemistry and ionic permeability studies. Atomic force microscopy (AFM) for surface morphology and its role in physical mechanism of reduction process and shape of nanostructures obtained. Transmission electron microscopy (TEM) has been used to interpret size and shape of dendritic silver nanoparticles obtained as photoreduction product. Although ,the ultimate goal is the photoreduction of heavy metals (Cr(VI), Hg(II), Cd(II), Pb(II) ), reduction of a simpler system like Ag⁺ ion has been chosen as a model system due to single electron simpler oxidation reduction process. A novel application of photocurrent generation from these hybrid films has been demonstrated in the fifth chapter of the manuscript as an initial studies which has enhanced the significance of all previously fabricated systems upto by many folds .The foresaid development of photovoltaic application has paved the way for future studies to enhance the photocurrent yield further by tuning the electron donor-acceptor system. Both components porphyrin and POM can be tuned with different axial substituent’s and stereo chemical properties to achieve maximum yield of solar energy as well as diversified metal nanostructure for nanoelectronics, e.g. silver dendrites for sensor applications. At the end of the manuscript, three appendices describe successively the experimental techniques used to carry out this work, the Job method used to determine the stoichiometry and formation constants of complex electrostatic and coordination, and then finally the origin or Protocols for the synthesis of various compounds used.

La situation énergétique actuelle impose le développement de technologies qui utilisent des énergies renouvelables pour limiter la dépendance aux ressources fossiles et diminuer l’impact de l’activité humaine sur le changement climatique. Parmi ces technologies, le solaire thermodynamique utilise l’énergie solaire pour chauffer un absorbeur, l’énergie de cet absorbeur étant alors convertie en électricité à travers un cycle thermodynamique classique. L’amélioration des performances de cette technologie passe par la conception d’absorbeurs capables de fonctionner efficacement à haute température. Dans ce travail de thèse, nous explorons deux voies différentes dans ce but.La première est basée sur la conception de structures multicouches optimisées par algorithme génétique. Nous montrons que ces structures permettent d’obtenir un rendement supérieur à 80 %, valeur très proche des limites fondamentales, démontrant ainsi leur fort potentiel pour le solaire thermodynamique.La seconde voie est basée sur l’optimisation des interactions électromagnétiques dans des structures plasmoniques à base de nanoparticules métalliques. Ces structures sont le siège d’effets coopératifs qui peuvent exalter très fortement les pertes dans la structure. Ces mécanismes sont mis à profit pour concevoir des absorbeurs à base de réseaux binaires de nanoparticules d’or et d’argent dispersées dans une matrice transparente. / The current energy situation requires the development of technologies that use renewable energy sources to reduce the dependence on fossil fuels and the impact of human activity on climate change. Among these technologies, thermodynamic solar power uses solar energy to heat an absorber, whose heat is then converted into electricity through a classical thermodynamic cycle. The improvement of the performances of this technology requires the design of absorbers able to operate strongly at high temperature. In this thesis, we explore two different ways for this purpose.The first is based on the design of multilayer structures optimized by a genetic algorithm.We will see that these structures lead to an efficiency higher than 80 %, very close to the fundamental limits, demonstrating so their strong potential for thermodynamic solar technology. The second way is based on the optimization of electromagnetic interactions inside plasmonic nanostructures composed of metal nanoparticles. These structures are the site of cooperative effects between nanoparticles that can exalt strongly losses inside the structure. These mechanisms are exploited to design absorbers based on binary networks made with nanoparticles of gold and silver dispersed in a transparent matrix.

La réfrigération solaire est une alternative à la production de froid à partir de machines à compression mécanique de vapeur dont l’alimentation est électrique. Parmi les technologies envisageables, le couplage d’une machine de réfrigération thermoacoustique avec un concentrateur solaire et un stockage frigorifique par chaleur latente apparait comme une option intéressante. Cette thèse introduit la problématique du sujet et présente les différentes technologies envisageables pour la conception d’un réfrigérateur thermoacoustique solaire. Ensuite, pour répondre au problème, le prototype expérimental qui a été conçu et fabriqué est présenté. Une méthode de modélisation transitoire au niveau système du prototype est proposée. Enfin les résultats obtenus par les simulations dynamiques sont discutés à travers l’analyse du comportement transitoire de l’ensemble du procédé et des performances associées. / Solar refrigeration is an alternative to electrically driven vapor compression cycle for refrigeration. Among the solar refrigeration technologies, the coupling of a heat driven thermoacoustic refrigerator with a solar concentrator and a cold latent energy storage system seems to be a promising technology. This thesis introduces the issue of the subject and analyzes the different available technologies to design a solar driven thermoacoustic refrigerator. Then, to address the problem, the prototype that has been designed and built, is presented. A lumped model is introduced to describe the transient behavior of the prototype. Finally, simulation results are presented and discussed in terms of dynamic behavior and performance analysis.