Dans le cadre du projet ANR AGATCO (Advance GAz Turbine for COgeneration) qui a débuté fin 2012, la conception d’un micro-cogénérateur aux granulés de bois permettant de produire 1,5 kW électrique et 10 kW thermique a été entrepris et est présentée dans ce manuscrit. Basé sur la technologie d’une turbine à air chaud à combustion externe, ce micro-cogénérateur utilise la combustion des granulés couplés à un échangeur de chaleur et une micro-turbine. La technologie demande la conception d’un nouveau foyer (brûleur et chambre de combustion) adapté pour la production de fumées à haute température (1200°C). Le défi est grand car le débit de fumées souhaité est important (27g/s) et la puissance de combustible est faible (15kW). Deux solutions sont proposées pour répondre à la problématique, la première utilise de l’air frais à température ambiante et la deuxième utilise le recyclage des fumées chaudes. La haute température des fumées permet d’obtenir une température d’entrée turbine de 1100°C après le transfert de chaleur dans l’échangeur. La caractérisation expérimentale et par simulation numérique de l’échangeur permet de vérifier ses performances. La micro-turbine utilise une technologie nouvelle de canaux hélicoïdaux à la place d’aubes qui lui permettent d’avoir des dimensions faibles pour les performances souhaitées. Les travaux effectués ont permis de mettre en valeur plusieurs résultats : la réalisation de la combustion haute température dans des conditions fortement défavorables, les performances très intéressantes de l’échangeur de chaleur tous en proposant des améliorations pour optimiser les échanges et les améliorations à apporter à la turbine / As part of the AGATCO ANR project (Turbine Advance GAz for cogeneration), which began at the end of 2012, the design of a micro-cogeneration generating 1.5 kW of electricity and 10 kW of heat was started and presented in this manuscript. Based on the technology of an externally fired gas turbine, this micro-CHP uses the combustion of pellets coupled to a heat exchanger and a micro-turbine. This technology requires the design of a new fireplace (burner and combustion chamber) suitable to produce fumes at high temperatures (1200°C). The challenge is significant because the desired smoke flow is important (27 g/s) and the fuel power is low (15 kW). Two solutions are proposed to solve the problem, the first uses fresh air at ambient temperature and the second uses recycled hot fumes. The high temperature of the fumes makes it possible to obtain a turbine inlet temperature of 1100°C after the transfer of heat into the exchanger. Experimental and numerical simulation characterization of the exchanger makes it possible to verify its performances. The micro-turbine uses a new technology using channel instead of blades allowing it to have small dimensions for the desired performance. The work carried out made it possible to highlight several results: the realization of the high temperature combustion in very unfavorable conditions, the very interesting performances of the heat exchanger while proposing improvements to optimize the exchanges and the improvements to be brought to the turbine

Fuel cells are direct energy conversion devices to generate electricity. They have the lowest emission level of all forms of electricity generation. Fuel cells require no combustion of the fuel. The thermal energy gained from fuel cells may be utilized in micro turbines (gas turbines). In this work, first and second law analyses are performed on a hybrid system consisting of a solid oxide fuel cell (SOFC) combined with a micro turbine to be able to find an optimum point of pressure and corresponding mass ratio to gain maximum work output. Also another system with same equipments only without a gas turbine is investigated to see the effects of gas turbine. The analyses are performed utilizing a code written in MATLAB for each of the equipments. Fuel used is biomass with a certain concentration. To be able to use biomass in a fuel cell-micro turbine hybrid cycle, it is gasified and converted into a certain calorific value gas, with the use of gasifiers. In this study fluidized bed gasifier is utilized since it has the advantage of good mixing and high heat transfer leading to a uniform bed condition. Desulphuration and gas filter units will be implemented in order to clean the producer gas before being used in hybrid system. For a certain percentage of the fuel that may pass through the fuel cell without being used, a combustor is utilized. Optimum point mass and pressure ratios for system are MR = 0.6411 and Pr = 8. Gas turbine supplies more power and higher efficiency to the system. There are different choices for fuel selection in hybrid systems. The reason why biomass is examined among these is that it decreases the depletion of energy carriers and reduces the environmental impact.

Un micro-réseau est un exemple prometteur d’évolution d’architecture de réseau qui consiste à regrouper les différents producteurs et consommateurs autour d'un réseau moyenne tension. Ce système hybride multi-source est donc composé d'au moins une unité de production décentralisée conventionnelle et éventuellement d'une unité de stockage et d’une unité de production basée sur des énergies renouvelables. L’utilisation de cette structure permet de réaliser une minimisation immédiate des pertes liées au transport de l’énergie, une fiabilité accrue de la fourniture et une possibilité de fournir une énergie d’une haute qualité. Dans ce mémoire, nous étudions un micro réseau reposant sur l’utilisation d’une turbine à gaz, d’une centrale photovoltaïque et d’une unité de stockage à base de supercondensateurs. Toutes ces sources sont couplées au micro réseau par des convertisseurs électroniques de puissance et sont interconnectées au gestionnaire central du micro-réseau. Des supervisions locales et une supervision centrale sont utilisées pour ce micro-réseau étudié afin de réaliser une optimisation de son fonctionnement. Par conséquence, la première partie de ce mémoire est consacrée à la formalisation d’une méthode permettant la conception systématique des supervisions locales et des dispositifs de commande des unités de production et de stockage. La seconde partie de cette thèse est consacrée à la gestion proprement dite de l’ensemble de ces moyens de production et de stockage en vue d’optimiser les services fournis aux micro-réseaux. Des résultats de la simulation et de l’expérimentation valident notre conception de la supervision du micro-réseau / A microgrid is a promising future network architecture which is coupling the various generators and consumers in a distribution network. This hybrid multi-source system is composed of at least one conventional generation unit and possibly a storage unit and/or a production unit based on renewable energies. Using this structure allows an immediate minimization of the losses by the energy transport, a greater reliability of power delivery and an ability to provide a high power quality energy. In this paper, we study a microgrid based on the use of a micro gas turbine, a photovoltaic array and supercapacitors. All these sources are coupled to the microgrid by power electronic converters and are interconnected to a microgrid central controller. Some local controllers and the microgrid central controller are used for the studied microgrid to achieve its operation optimization. Therefore, the first part of this thesis is devoted to establish a formalism method for a systematic design of local controllers. The second part of this thesis is devoted to the management of all these production and storage units, in order to optimize the microgrid operating. Simulation and testing results validate our design of the microgrid controllers

Résumé en français : Dans les turbomachines conventionnelles, l'estimation des performances (rendement, puissance et rapport de pression) se fait en général en admettant l'adiabaticité de l'écoulement. Mais, de nombreuses études ayant montré l'influence négative des échanges thermiques internes et externes sur les performances des petites turbomachines dans les faibles charges et aux bas régimes, cette hypothèse ne peut plus être recevable. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à lever l'hypothèse d'adiabaticité.Une étude préalable de l'état de l'art a permis de relever les différents types de transferts thermiques dans les turbomachines et de circonscrire notre étude.Puis, une analyse exergétique généralisée, ayant pour but la prise en compte des deux principes de la thermodynamique, a été effectuée et l'évolution de l'indice de performance caractérisant le niveau d'énergie récupérable en fonction des échanges thermiques est étudiée.Les performances des turbomachines à fluide compressible sont généralement représentées sous forme graphique dans des systèmes de coordonnées adimensionnelles établies avec l'hypothèse d'adiabaticité. Ces cartographies couramment utilisées par les exploitants et constructeurs ne conviennent pas aux machines fonctionnant avec transferts thermiques. L'étude de la similitude des turbomachines thermiques à fluide compressible présentée dans ce travail, propose de nouvelles coordonnées adimensionnelles pouvant être utilisées aussi bien en adiabatique que dans les écoulements avec transferts thermiques.Enfin, nous proposons un protocole de mesures et un modèle numérique pour l'évaluation des transferts thermiques dans un turbocompresseur.Certains résultats obtenus montrent que les performances calculées avec l'hypothèse d'adiabaticité de l'écoulement du fluide sont surestimées. Les nouvelles lois de la similitude proposées généralisent le théorème de Rateau au fluide compressible fonctionnant dans n'importe quelle condition et permettent de calculer les échanges thermiques à chaud à partir des résultats d'essai à froid. Une donnée supplémentaire (température de refoulement) est néanmoins nécessaire pour la prédiction complète des performances et des échanges thermiques.Le modèle numérique de calcul des échanges thermiques proposé donne des résultats en accord avec ceux attendus, mais nécessite des données réelles issues de mesure sur banc pour une validation complète.

Un micro-réseau est un exemple prometteur d'évolution d'architecture de réseau qui consiste à regrouper les différents producteurs et consommateurs autour d'un réseau moyenne tension. Ce système hybride multi-source est donc composé d'au moins une unité de production décentralisée conventionnelle et éventuellement d'une unité de stockage et d'une unité de production basée sur des énergies renouvelables. L'utilisation de cette structure permet de réaliser une minimisation immédiate des pertes liées au transport de l'énergie, une fiabilité accrue de la fourniture et une possibilité de fournir une énergie d'une haute qualité. Dans ce mémoire, nous étudions un micro réseau reposant sur l'utilisation d'une turbine à gaz, d'une centrale photovoltaïque et d'une unité de stockage à base de supercondensateurs. Toutes ces sources sont couplées au micro réseau par des convertisseurs électroniques de puissance et sont interconnectées au gestionnaire central du micro-réseau. Des supervisions locales et une supervision centrale sont utilisées pour ce micro-réseau étudié afin de réaliser une optimisation de son fonctionnement. Par conséquence, la première partie de ce mémoire est consacrée à la formalisation d'une méthode permettant la conception systématique des supervisions locales et des dispositifs de commande des unités de production et de stockage. La seconde partie de cette thèse est consacrée à la gestion proprement dite de l'ensemble de ces moyens de production et de stockage en vue d'optimiser les services fournis aux micro-réseaux. Des résultats de la simulation et de l'expérimentation valident notre conception de la supervision du micro-réseau

The thesis utilizes the analogy in dynamic equations between a mechanical and an electrical system to convert the steam-turbine, micro-turbine, wind-turbine and hydro-turbine generator mechanical model to equivalent electrical circuit models respectively. And based on the round rotor type and permanent magnetic rotor type synchronous generators¡¦ dynamic equations, as well as their electromagnetic torque equations, the equivalent electrical interface circuits were derived respectively. By using the interface circuit, the circuit model of synchronous generator and the equivalent electrical circuit model of turbine-generator mechanism can thus be combined into the electromechanical integrated circuit model (Thevenin¡¦s analogy circuit model and Norton's analogy circuit model). The electromechanical integrated circuit model is helpful for analyzing the energy conversion, power transmission and interactions between the mechanical and electrical systems for a turbine generator unit. In order to learn about these electromechanical interactions by using the proposed electromechanical integrated circuit model, the thesis has made a study on the torsional vibrations for a small gas turbine generator unit and for a large steam turbine generator unit respectively. By way of the frequency scanning and eigenvalue calculation, it is found that the torsional mode frequencies can be changed due to the electromechanical integration. Moreover, the small unit was more affected by the electromechanical integration than the large unit. Finally, we studied the effect of operations of an Electric Arc Furnaces (EAF) on torsional vibrations of a low capacity turbine generator. The electric system studied belongs to a practical steel plant in an industrial park. Based on the electromechanical integrated equivalent circuit model, a flywheel coupling shaft was designed. It is found by simulations that the coupling shaft can be quite effective in alleviating vibrations caused by the system unbalance arising from the EAF operations.

Dans les turbomachines conventionnelles, l’estimation des performances (rendement, puissance et rapport de pression) se fait en général en admettant l’adiabaticité de l’écoulement. Mais, de nombreuses études ayant montré l’influence négative des échanges thermiques internes et externes sur les performances des petites turbomachines dans les faibles charges et aux bas régimes, cette hypothèse ne peut plus être recevable. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer à lever l’hypothèse d’adiabaticité.Une étude préalable de l’état de l’art a permis de relever les différents types de transferts thermiques dans les turbomachines et de circonscrire notre étude.Puis, une analyse exergétique généralisée, ayant pour but la prise en compte des deux principes de la thermodynamique, a été effectuée et l’évolution de l’indice de performance caractérisant le niveau d’énergie récupérable en fonction des échanges thermiques est étudiée.Les performances des turbomachines à fluide compressible sont généralement représentées sous forme graphique dans des systèmes de coordonnées adimensionnelles établies avec l’hypothèse d’adiabaticité. Ces cartographies couramment utilisées par les exploitants et constructeurs ne conviennent pas aux machines fonctionnant avec transferts thermiques. L’étude de la similitude des turbomachines thermiques à fluide compressible présentée dans ce travail, propose de nouvelles coordonnées adimensionnelles pouvant être utilisées aussi bien en adiabatique que dans les écoulements avec transferts thermiques.Enfin, nous proposons un protocole de mesures et un modèle numérique pour l’évaluation des transferts thermiques dans un turbocompresseur.Certains résultats obtenus montrent que les performances calculées avec l’hypothèse d’adiabaticité de l’écoulement du fluide sont surestimées. Les nouvelles lois de la similitude proposées généralisent le théorème de Rateau au fluide compressible fonctionnant dans n’importe quelle condition et permettent de calculer les échanges thermiques à chaud à partir des résultats d’essai à froid. Une donnée supplémentaire (température de refoulement) est néanmoins nécessaire pour la prédiction complète des performances et des échanges thermiques.Le modèle numérique de calcul des échanges thermiques proposé donne des résultats en accord avec ceux attendus, mais nécessite des données réelles issues de mesure sur banc pour une validation complète. / In the conventional turbomachines, calculations are done assuming adiabatic flow. But, the negative influence of external and internal heat exchange on the performance of small turbomachines at low loads and low speeds have been shown by many studies in the literature. Then, this assumption is no longer admissible. The main objective of this thesis is to help remove the assumption of adiabaticity.A study of the state of art has identified the different kinds of heat transfer and defined the limits of our investigations.Afterwards, a generalized exergy analysis whose main goal is to take into account the two principles of thermodynamics has been made and the variation of exergy performance versus heat transfer has been studied.The maps currently used are made with the assumption of adiabaticity. The laws of similarity in turbomachines working with compressible fluid studied propose new dimensionless coordinates that can be used in any operating condition (adiabatic or not).Finally, we present a measurement protocol and a numerical model for calculating heat transfer in a turbocharger.Some results from our work indicate that the performance of thermal turbomachinery announced regardless of thermal heat exchanges are found to be overestimated.The new laws of similarity proposed generalize the Rateau’s theorem to compressible fluid flow in any operating condition and can be used to calculate heat transfer from adiabatic test results. Supplementary information is still required for the complete prediction of performance and heat transfer.The numerical model for calculating heat transfer gives some results that are in agreement with those expected. But actual data from test bench are required for complete validation.

Η παρούσα διπλωματική έχει ως αντικείμενο την μελέτη και μοντελοποίηση ενός συστήματος μικροστροβίλου και ανεμογεννήτριας ως συστατικά στοιχεία ενός συστήματος κατανεμημένης παραγωγής. Παρουσιάζεται αναλυτικά η έννοια της κατανεμημένης παραγωγής καθώς επίσης και οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σε αυτή, ενώ ένα κεφάλαιο είναι αποκλειστικά αφιερωμένο στην τεχνολογία των μικροστρόβιλων. Στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μια μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς ενός συστήματος μικροστροβίλου σε μεταβλητές συνθήκες φόρτισης καθώς επίσης και της απόκρισης του στην περίπτωση προσθήκης ενός επιπλέον φορτίου, την κάλυψη του οποίου αναλαμβάνει ως εφεδρικό μέσω μία ανεμογεννήτρια σταθερών στροφών. / The current diploma thesis deals with the development of a distributed generation system with a micro-turbine and a wind-turbine as its basic components. What is more, it is given the meaning of the “distributed generation”, we analyze the basic characteristics of it and we present the most important technologies that complete the distributed generation. Furthermore we refer to the micro-turbine technology and its characteristics in the third chapter of this essay. In the last chapter we analyze the dynamic response of a micro-turbine based system in variable load conditions and the response of the system when an additional load, which is powered by a fixed speed wind-turbine, is added in the micro grid.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:57:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1906808 bytes, checksum: c9f35f40f740e498e4aa3392c91ed370 (MD5) Previous issue date: 2014-02-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work is in the context of distributed micro-generation through the use of wind power in urban areas. Generally, the installation of wind power generation systems is preceded by an analysis of the potential generation. From a study of methods and technologies for monitoring the wind velocity, it was decided to develop a monitoring system formed by a network of 10 sensor nodes capable of recovering energy from the environment for its operation, avoiding the need for batteries or connection to the power network. Each sensor node is comprised of a micro-turbine that feeds a DC generator, and an RF transceiver for sending data to a processing center. While providing a voltage dependent on wind speed, the set micro-turbine generator provides the energy necessary for the operation of the transceiver. The performance of the prototype was evaluated by means of a wind tunnel developed during the work. The system included a data acquisition board with microcontroller to measure the voltage at the output of the generator (in different load conditions), a reference anemometer to measure the wind speed in the tunnel, and a computer for acquisition and processing of the experimental data. The developed sensor node is able to operate with speeds greater than 3.5 m/s, threshold near the operating threshold of wind turbines for distributed generation wind (3.0 m/s). Keywords: Wind Micro-turbine, Monitoring Wind Speed, Sensor Node. / Este trabalho se insere no contexto da micro-geração distribuída através do aproveitamento da energia eólica em áreas urbanas. Geralmente, a instalação de sistemas de geração eólica é precedida por uma análise do potencial de geração. A partir de um estudo de métodos e tecnologias para o monitoramento da velocidade do vento, decidiu-se por desenvolver um sistema de monitoramento formado por uma rede de 10 nós sensores capazes de recuperar energia do ambiente para seu funcionamento, de forma a evitar a necessidade de baterias ou conexão à rede elétrica. Cada nó sensor é composto por uma microturbina que alimenta um gerador CC, e um transceptor RF para envio dos dados a uma central de processamento. Ao mesmo tempo em que fornece uma tensão dependente da velocidade do vento, o conjunto microturbina-gerador fornece a energia necessária ao funcionamento do transceptor. O desempenho do protótipo desenvolvido foi avaliado por intermédio de um túnel de vento desenvolvido ao longo do trabalho. O sistema de aquisição de dados incluiu uma placa com microcontrolador para medição da tensão na saída do gerador (em diferentes condições de carga), um anemômetro de referência para medição da velocidade do vento no túnel, e um computador para aquisição e processamento dos dados experimentais. O nó sensor desenvolvido é capaz de funcionar com velocidades do vento maiores que 3,5 m/s, limiar próximo do limiar de funcionamento das turbinas eólicas para geração distribuída (3,0 m/s).

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