En ce début de millénaire 1,4 Milliards d'humains, parmi les plus démunis de la planète, vivent dans des sites isolés et ne bénéficient pas de réseaux de distribution d'énergie. Leur besoin en électricité est modeste, mais important en terme d'usages : accès aux soins médicaux et à l'instruction, communication, développement d'économies locales. C'est face à ce constat que Schneider Electric Industries relève, depuis 2009, le défi de concevoir et réaliser des microcentrales solaires thermodynamiques, concurrentielles à d'autres solutions, pour fournir à ces populations une énergie électrique fiable et respectueuse de l'environnement. Inscrit dans le cadre de ce projet, le présent travail - réalisé en Cifre - est séquencé par l'évolution industrielle du projet. Dans un premier temps, un Etat de l'Art, étendu à une analyse de détail, a contribué à privilégier certains choix technologiques : capteurs solaires à concentration, stockage thermique à chaleur sensible et moteur de Stirling. Dans un second temps, une étude thermodynamique préliminaire a permis d'évaluer le dimensionnement d'éléments clefs du système : champ de captage solaire et stockage thermique. En complément une étude de sensibilité paramétrique du dimensionnement et des performances à divers facteurs de pertes énergétiques a souligné les points durs techniques et participé à l'orientation des travaux de conception. Enfin, l'analyse exergétique de fonctionnement de capteurs solaires et d'un moteur Stirling en régimes dynamiques stationnaires proposent des bases pour l'optimisation de contrôle et commande, visant à accroître les performances énéergétiques du système et favoriser sa viabilité thermoéconomique / As a new millenium begins, 1.4 Billion people worldwide earn less than 2 dollars daily and have no access to the power grid. The need of electric power of these people represent small energy amounts but is very important regarding to the usage : acces to healthcare and education, communication, local economic development. In reponse to the situation, since 2009, Schneider Electric Industries takes up the challenge to design and realize micro solar power plants, competitive with other solutions, to supply these people with reliable and environment-friendly electricity. Dealing with this project, this work has been realized under contract, so it follows the development sequence of the industrial project. The first part is a State of the Art of the actual solar thermodynamical technologies. This task is extended to a qualitative evaluation of various technologies, as a contribution to select adapted technologies: concentrating solar thermal receivers, sensible heat thermal storage and Stirling engine. The secon step is a preliminary thermodynamics analysis of the whole system, that allowed to evaluate key features: the size of the solar receivers area, the thermal storage volume, and overall energy performance. This task is streched by a sensitivity analysis of the sizing and performances, according to various energy losses parameters, that shows the technical hard spots of the design. Finally, an exergy-based dynamical analysis of stationary operating solar receivers and Stirling engines leads to a propostion of basis methods and criteria for the optimal control of power, in order to maximize the energy performances of the system and to enhance its competitiveness

Le moteur Stirling a été développé il y’a 200 ans. Cependant son développement n’a jamais connu un grand essor. Le contexte énergétique actuel a relancé l’intérêt porté à ces machines. En effet la possibilité de le faire fonctionner à partir de n’importe quelle source de chaleur externe lui permet d’être associé à des sources d’énergie renouvelable comme l’énergie solaire. Au-delà des avantages écologiques, le développement par W. Beale à la fin des années 1960 d’un moteur Stirling à pistons libres (ou FPSE pour Free Piston Stirling Engine) a ajouté de nouveaux intérêts à un tel moteur. Cette nouvelle architecture permet au moteur de fonctionner sans système d’entrainement des pistons. Dans de telles machines, le mouvement des pistons n’est plus déterminé par la géométrie du système d’entrainement. Ces derniers sont mis en mouvement par les forces de pressions occurrents à l’intérieur du moteur. La dynamique des pistons et la thermodynamique du système sont alors couplées, rendant plus complexe la modélisation complète du système.Cette thèse présente une nouvelle technique de modélisation des machines Stirling à pistons libres, intitulée LHA5V pour Linear Harmonic Analysis 5 Volumes, permettant de coupler la thermodynamique du système et la réponse mécanique des pistons libres. Celle-ci repose alors sur la décomposition du moteur Stirling en cinq sous systèmes ouverts : deux espaces à volume variables, deux échangeurs de chaleur et le régénérateur. Nous supposons que les variables d’état varient périodiquement et le modèle détermine comment celles-ci varient en valeur moyenne, en amplitude et en phase afin de satisfaire les équations de conservation de la masse et de l’énergie. L’aspect innovant du modèle thermique repose sur la prise en compte implicite des pertes inhérentes au fonctionnement. Celles-ci ont en effet un impact direct sur le mouvement des pistons. Par ailleurs cette thèse présente également un modèle de génératrice électrique linéaire pouvant être couplé à la partie thermique. Le modèle électrique repose sur un calcul analytique de la force de poussée du stator sur la partie mobile. Le calcul des flux et du niveau d’induction dans le circuit magnétique est effectué à partir d’un réseau de perméances judicieusement paramétré.Que ce soit pour la modélisation thermique ou la modélisation électrique, chacun des modèles a été conçu pour avoir un temps de calcul faible, tout en restant le plus précis possible sur la prédiction des performances. Ceux-ci ont à chaque fois été confrontés à des données expérimentales, ou à d’autres techniques de modélisation plus fines de façon concluante. / Though the Stirling engine was invented two centuries ago, it has never really grown to a fully marketable level. The current energy context has renewed the interest in this engine. Their ability to work with any external source of heat allow them to be associated with renewable energy such as solar energy. Beyond its ecological benefits, the invention of the free piston Stirling engine by W. Beale at the end of the 1960’s further increased the interest in Stirling engines. This novel structure allows the engine to operate without mechanical interface between pistons, which are driven entirely by the gas or other spring forces. In such engines, the pistons kinematics and the system thermodynamics are intimately coupled, thus increasing the complexity of the complete system computer modelling.This PhD presents an innovative technique to model a free piston Stirling engine that takes into account the coupling between the system thermodynamics and the mechanical response of the free pistons. This technique has been named LHA5V standing for Linear Harmonic Analysis 5 Volumes. It consists in splitting the engine in five open sub-systems: the compression and expansion spaces, the heater, the cooler and the regenerator. We hypothesize that the state variables are periodic, and the model then determines the variations of their mean, amplitude and phase values in order to satisfy the mass and energy conservation equations. This PhD also presents a model for a linear electric alternator, which can be coupled to the power piston. This electrical model is based on an analytical calculation of the thrust between the stator and the magnets. Magnetic flux and induction in the iron are determined by a carefully tuned reluctance network.Both thermal and electrical models have been designed to optimize both computing time and accuracy. The models generated have systematically been compared to experimental data or finite element analysis, with satisfactory results.

Plusieurs machines actuellement utilisées, moteurs à combustion interne en automobile ou centrales thermiques dans l'énergie, rejettent de grandes quantités de chaleur. Généralement cette chaleur est dissipée dans l'atmosphère et son énergie perdue. Nous nous sommes donc intéressés aux moteurs à apport de chaleur externe dont l'énergie primaire est de l'énergie thermique, et plus particulièrement aux moteurs Stirling. L'une de ses principales caractéristiques est d'utiliser de la chaleur produite extérieurement comme source d'énergie. Ceci lui permet d'être multi-carburant et même d'utiliser de l'énergie thermique naturelle.L'étude menée comporte deux parties. Tout d'abord un modèle numérique zéro dimension, trois zones en temps fini a été développé. Il prend en compte les échanges thermiques aux parois et les pertes de charge, mais ne préjuge ni des dimensions moteur, ni des conditions de fonctionnement. Ceci lui permet de rester flexible pour s'adapter à l'architecture spécifique du moteur à simuler. Ensuite nous avons réalisé des mesures expérimentales sur deux moteurs de taille et puissance différentes (quelques watts et 1 kW). Ces résultats ont permis de valider le modèle. Au final nous avons obtenu un modèle numérique traduisant l'influence de paramètres dimensionnels et fonctionnels sur la puissance du moteur Stirling.Un outil d'aide à la conception de moteur Stirling a été développé en ajoutant au modèle un algorithme d'optimisation. Il permet une ébauche des caractéristiques d'un moteur Stirling. En fonction de l'application souhaitée et des contraintes s'y appliquant, il agit sur les caractéristiques choisies par l'utilisateur pour maximiser les performances.

Ce travail traite la modélisation et l'optimisation des centrales solaires thermodynamiques à concentration produisant de l'électricité pour l'électrification des zones rurales isolées et mal raccordées au réseau électrique. D’abord, un modèle optique et thermique détaillé des concentrateurs solaires cylindro-paraboliques est présenté permettant l'identification de capteurs existants et la création de corrélations qui peuvent être injectées dans un modèle plus global. Dans un second temps, un modèle original d'un stock de chaleur stratifié de type « lit de roche » est développé. Le nouveau modèle proposé permet de déterminer analytiquement le profil de température dans le stock à n'importe quel instant dans le cas d'une température d'entrée régulée. Ensuite, deux alternatives de bloc moteur sont modélisées : le moteur Stirling et le Cycle Organique de Rankine (ORC acronyme anglais pour Organic Rankine Cycle). Concernant le moteur Stirling, une revue critique des modèles existants a été effectuée. Certains de ces modèles ont été implémentés et complétés par des modèles originaux des pertes par fuite de matière et par effet navette. Le cycle organique de Rankine, lui, est modélisé par un modèle orientée vers l'optimisation. Enfin, une optimisation mono et multicritère d’une centrale solaire est effectuée. La configuration étudiée est équipée d’un stock de chaleur et d’une chaudière d’appoint. Elle est optimisée selon trois critères : le coût moyen actualisé de l'électricité (LCOE acronyme anglais pour Levelized Cost Of Electricity), le rendement énergétique de la centrale et la quantité de CO2 émise par Kilowatt heure d'électricité produite / This work deals with the modelling and the optimization of thermodynamic solar power plants intended to supply electricity to isolated locations. Firstly, a state of the art of solar collectors is achieved and a model for parabolic trough collectors is proposed. This model is used for actual collectors identification. It is used also to propose correlations to be introduced in the whole system model. In a second time, a state of the art of energy storage technologies is conducted and an original model of a packed bed storage tank is proposed. This model gives an explicit solution of the temperature inside the tank without using a time step based numerical resolution. Two alternatives for the power block are given: Stirling engines and Organic Rankine Cycles. For Stirling engines, a critical review of existing models is performed. Some losses occurring in Stirling engines are not well documented in the literature as leakage losses at the power piston and displacer gap losses. Therefore, original models are proposed to estimate these losses. When compared to former models in the literature, the new model of the displacer gap losses demonstrates clearly that it is very important to use decoupled models with caution. Concerning the ORC, an optimization-oriented model is proposed. Finally, a mono and multi-objective optimization of a solar power plant is performed. The optimized system is composed of a solar field, a packed bed heat storage, a power block and an auxiliary fired heater. Objective functions used in this study are: the Levelized Cost of Electricity (LCOE), the energetic efficiency of the power plant and CO2 emission per kilowatt hour of electricity

Dans ce travail, un moteur Stirling de type Gamma alimenté par énergie solaire avec une faible différence de température a été étudié numériquement et expérimentalement. Un nouveau modèle appelé Polytropic Stirling Model with Losses (PSML) a été proposé et appliqué au moteur GPU-3 Stirling. Un cryoréfrigérateur basé sur un moteur Stirling intégral de type Alpha a été étudié numériquement, après avoir mesuré ses dimensions géométriques au laboratoire. Pour le moteur Stirling de type gamma du laboratoire, le modèle ait thermodynamique à vitesse finie et le modèle isotherme a été développé, incluant les bilans de masse et d’énergie à travers les différents volumes (compression, régénération et expansion) dans le moteur. Différents types de pertes thermiques et mécaniques ont été considérés dans le modèle afin d'analyser les processus thermodynamiques et les pertes dans le moteur Stirling. En outre, des études paramétriques sur les performances du moteur Stirling alimenté à l’énergie solaire ont également été étudiées expérimentalement et numériquement. La comparaison entre les résultats expérimentaux et les résultats de simulation à différents déphasages entre le déplaceur et le piston, et à différentes course de piston montre que le modèle est convaincant dans la prédiction des performances du moteur Stirling. Basé sur la méthode thermodynamique en dimension physique finie, une méthode d’algorithme génétique multi-objectives, objectifs étant la puissance fournie, le rendement énergétique et le taux de génération d'entropie a été utilisé pour optimiser la fonction et la géométrie du moteur du type Gamma. En comparant avec la méthode d'optimisation écologique, la méthode multi-objectif permet de mieux équilibrer les trois objectifs. Le nouveau modèle (PSML) proposé pour prédire les performances du moteur de type Bêta ou Gamma du moteur Stirling, il divise l'espace de travail en 5 parties (volume de compression, refroidisseur, régénérateur, chauffage et volume d'extension). Une liaison entre volume de compression et volume d'extension a été ajoutée dans le modèle adiabatique classique du moteur Stirling. Ainsi, des processus polytropiques ont été considérés dans les volumes de compression et d'expansion du moteur Stirling. Le moteur Stirling GPU-3 a été utilisé pour valider le nouveau modèle. Il a été démontré que le nouveau modèle (PSML) prédit correctement la puissance de sortie et le rendement du moteur. Dans la dernière partie de la thèse, un Cryorefroidisseur Stirling de type Alpha, a été étudié en utilisant un modèle isotherme prenant en considération différentes pertes. Les volumes de compression et d'expansion sont considérés isothermes, et la variation de la température du régénérateur est considéré linéaire. Les bilans d'énergie et d'exergie du Cryorefroidisseur ont été réalisés, et l'effet de divers paramètres sur la performance (puissance de refroidissement et puissance mécanique consommée) est étudié. Les résultats de la simulation pour PPG-102 Stirling cryocooler ont été comparés avec deux autres résultats de simulation de la littérature et des résultats expérimentaux indiquant que ce modèle est convaincant pour prédire la performance du Cryorefroidisseur. / In this work a solar powered low temperature difference Gamma type Stirling engine has been studied experimentally and numerically using an isothermal model coupled with various losses and using an objective optimization. A new model named Polytropic Stirling Model with Losses (PSML) has been proposed which was applied to the Beta type GPU-3 Stirling engine. An Alpha type integral Stirling cryocooler has been studied numerically using an isothermal model with losses. To study a Gamma type Stirling engine of our laboratory, an isothermal model coupled with finite speed method has been developed, including mass and energy balances through different spaces of the engine. The engine is divided into 3 volumes: compression volume, regeneration volume, and expansion volume. Different kind of thermal and mechanical losses have been considered in the model, in order to analyze thermodynamic processes and losses in the Stirling Engine. In addition, parameter effects on the performance of the solar powered gamma type Stirling engine have also been studied experimentally and numerically. The comparison between the experimental results and the simulation results at different phase shift between the displacer and the piston, and at different piston stroke shows that the model is convincing to predict the Stirling engine performance. Based on the Finite Physical Dimensional Thermodynamic method, a multi-objective genetic method considering output power, thermal efficiency and entropy generating rate as objective functions simultaneously, has been used to multi-objective optimize the Gamma type Stirling engine. Comparing with the ecological optimization method, the multi-objective method can better balance the three objective goals. The new model (PSML) proposed in the thesis for predicting performance of Beta or Gamma type of Stirling engine divides the working space into 5 parts (compression volume, cooler, regenerator, heater, and expansion volume). A bypass linking compression volume and expansion volume has been added in the classic adiabatic model of Stirling engine. Thus, polytropic processes have been considered in the compression and expansion volumes of the Stirling engine. The GPU-3 Stirling engine has been used to validate the new model. It was shown that the new model (PSML) predict well the output power and the thermal efficiency of the engine well. An isothermal model considering various losses was developed and presented in the last part of this thesis to study an Alpha type Stirling cryocooler, whose geometrical dimensions were measured in our laboratory. The compression and expansion volumes are supposed to be isothermal, the variation of the regenerator temperature is supposed to be linear. Energy and exergy balances of the cryocooler were developed. The effect of various parameters on the cryocooler performance (cooling power and input power) are investigated. The simulation results for PPG-102 Stirling cryocooler were compared with two other simulation results of the literature and with experimental results which indicated that this model is convincing to predict the performance of the Stirling cyocooler

La micro cogénération désigne la génération simultanée de deux types d’énergie à faible puissance. En énergétique, ce terme désigne en pratique la production simultanée d’électricité et de chaleur : le principe reposant sur la récupération de la chaleur fatale induite par la production électrique. Deux bancs d’essais ont d’abord été réalisés sur deux prototypes de micro cogénérateurs : un moteur Stirling à gaz et un moteur à vapeur à granulés de bois. Une campagne expérimentale a été menée pour caractériser chaque système au niveau énergétique et environnemental. Les résultats expérimentaux ont abouti sur deux modèles numériques dynamiques et semi-physiques de micro cogénérateurs programmés dans l’environnement numérique TRNSYS où une plateforme numérique de simulation a été développée. Celle-ci intègre principalement des modèles de systèmes de stockage d’énergie, des générateurs stochastiques de fichiers de besoins énergétiques et des stratégies innovantes de pilotage des systèmes et des charges selon des critères de précision et de réalisme.Cette plateforme a permis d’évaluer la pertinence énergétique, environnementale et économique de micro cogénérateurs couplés aux bâtiments d’habitation et au réseau électrique selon différentes configurations. / Micro combined heat and power (µCHP) or cogeneration means the simultaneous generation of two energy types. In energetic fields, this term refers usually to the simultaneous production of electricity and heat: the principle being based on the recovering of the fatal heat induced by the electricity production processes.Firstly, two test benches were carried out on two µCHP prototypes: a gas Stirling engine and a wood pellets steam engine. Experimental investigations were conducted to characterize each system at energy and environmental levels. The experimental results led two dynamic and semi physical numerical models of µCHP systems programmed in the numerical tool TRNSYS where a numerical platform has been developed. This platform integrates mainly energy storage systems models, stochastic energy needs file generators and innovative management strategy of systems and energy loads according to precision and realism criteria.This platform allows assessing realistic energy, environmental and economic relevance of µCHP systems coupled with dwelling buildings and the power grid according to different configurations.

Plusieurs machines actuellement utilisées, moteurs à combustion interne en automobile ou centrales thermiques dans l’énergie, rejettent de grandes quantités de chaleur. Généralement cette chaleur est dissipée dans l’atmosphère et son énergie perdue. Nous nous sommes donc intéressés aux moteurs à apport de chaleur externe dont l’énergie primaire est de l’énergie thermique, et plus particulièrement aux moteurs Stirling. L’une de ses principales caractéristiques est d’utiliser de la chaleur produite extérieurement comme source d’énergie. Ceci lui permet d’être multi-carburant et même d’utiliser de l’énergie thermique naturelle.L’étude menée comporte deux parties. Tout d’abord un modèle numérique zéro dimension, trois zones en temps fini a été développé. Il prend en compte les échanges thermiques aux parois et les pertes de charge, mais ne préjuge ni des dimensions moteur, ni des conditions de fonctionnement. Ceci lui permet de rester flexible pour s’adapter à l’architecture spécifique du moteur à simuler. Ensuite nous avons réalisé des mesures expérimentales sur deux moteurs de taille et puissance différentes (quelques watts et 1 kW). Ces résultats ont permis de valider le modèle. Au final nous avons obtenu un modèle numérique traduisant l’influence de paramètres dimensionnels et fonctionnels sur la puissance du moteur Stirling.Un outil d’aide à la conception de moteur Stirling a été développé en ajoutant au modèle un algorithme d’optimisation. Il permet une ébauche des caractéristiques d’un moteur Stirling. En fonction de l’application souhaitée et des contraintes s’y appliquant, il agit sur les caractéristiques choisies par l’utilisateur pour maximiser les performances. / Several machines currently used, internal combustion engines for the car industry or thermal power plants in energy, exhaust a considerable amount of heat. Generally this heat is dispersed in the atmosphere and its energy lost. So we took a special interest in external heat engines which primary energy is heat energy, and more particularly in Stirling engines. One of its main characteristics is the used of energy from heat produced externally like energy source. This allows Stirling engines to be multi-fuel and even to use natural heat energy.The study carried out is made up of two parts. First, a three zones zero dimensional finite-time thermodynamic model has been developed. It takes into account the heat transfer from the walls and the pressure drop, but does not prejudge the dimensions of the engine nor the conditions of its functioning. It is thus able to remain flexible and to adjust to the specific architecture of the engine that should be simulated. Afterwards, we have realized a series of experimental measures thanks to two engines different in size and power (a few Watt and 1 kW). These results allowed us to validate the model. In the end, we got a numerical model representing the influence of dimensional and functional parameters on the power of a Stirling engine.Eventually, a tool to assist in designing Stirling engines was developed adding an optimization algorithm to the model. It allows to sketch out a preliminary draft of the characteristics of a Stirling engine. Depending on the desired application and on the constraints exerted on the engine, the tool created will act on the characteristics of the engine chosen by the user to maximize its performances.