Cette thèse s'intéresse à la coordination des sous-systèmes d'un nouveau genre de centrale de production d'énergie : un cycle combiné hybride (HCC - Hybrid Combined Cycle). Cette centrale HCC n'existe pas encore mais combine un cycle combiné gaz (CCG), un moyen de production solaire thermodynamique (miroirs cylindro-paraboliques) et un moyen de stockage thermique (stockage indirect de chaleur sensible utilisant deux réservoirs de sels fondus). Comment coordonner ces trois sous-systèmes de manière optimale lors des variations de demande de puissance ou des prix du gaz ?Dans un premier temps, chacun des trois sous-systèmes est étudié de manière indépendante afin d'obtenir, d'une part, un modèle physique permettant de caractériser le comportement dynamique du sous-système considéré et, d'autre part, un contrôle local qui agit en fonction des objectifs de fonctionnement prédéfinis. Un modèle du système complet interconnecté de l'HCC est ensuite obtenu en couplant les modèles des trois sous-systèmes. Enfin, une coordination des différents sous-systèmes est mise en place pour adapter le fonctionnement de chacun, en fonction des objectifs globaux de la centrale HCC complète, en optimisant les consignes de chaque sous-système. Dans ce travail, une coordination de type linéaire quadratique et une coordination de type optimale prédictive sont étudiées. Les résultats obtenus sont bien prometteurs : ils montrent, tout d'abord, que lors d'un appel de puissance, la commande coordonnée permet au système HCC de répondre plus rapidement, en utilisant plus efficacement la partie solaire. De plus, lorsque la demande subit beaucoup de variations, la partie solaire et la partie stockage absorbent toutes ces variations et la Turbine à Combustion (TAC) du CCG est beaucoup moins sollicitée. Lorsqu'il n'y a plus d'irradiation solaire, la partie stockage prend la relève pour continuer à produire de la vapeur solaire, jusqu'à ce que les stocks se vident. Finalement, le stockage permet d'ajuster la production de la TAC en fonction des prix du gaz. / This work concerns the subsystems coordination of a new type of power plant: a Hybrid Combined Cycle (HCC). This HCC plant is not yet build but consists of a Combined Cycle Power Plant (CCPP), a concentrated solar plant (parabolic trough) and a thermal storage system (a molten-salts two-tank indirect sensible thermal storage). How to coordinate these three subsystems optimally during variations in power demand or in gas price?First, each subsystem is studied independently in order to get on one hand a physical model that reproduces the dynamical behavior of the considered subsystem, and on the other hand, a local control that achieves an operation according to pre-specified objectives. Then, a model of the HCC system is obtained by coupling the models of the three defined subsystems.Eventually, a coordination of the subsystems is set up in order to adapt the behavior of each subsystem according to the global objectives for the full HCC system, by optimizing subsystem setpoints. In this study, a linear quadratic coordination and a model predictive coordination are designed. The obtained results are promising: they first show that during a power demand, the coordination allows the global system to quickly respond, using extensively the solar production. Besides, when the power demand undergoes many fluctuations, the solar and storage parts absorb these variations and the gas turbine of the CCPP is much less stressed. In addition, when there is no more solar radiation, the storage part continues producing solar steam, until storage tanks are empty. At last, the storage part allows to adjust the gas turbine production according to the gas prices.

Comme les autres technologies liées aux énergies renouvelables, le solaire à concentration souffre des problèmes liés à l’intermittence de la ressource. La technologie thermocline est une solution prometteuse qui réduirait le coût du stockage thermique dans les centrales solaires de ce type. Cependant, aucune étude n’a jusqu’ici porté sur l’impact de la variation de la température en sortie du réservoir de stockage de type thermocline sur les autres composants de la centrale. Ce travail de thèse a pour but d’améliorer les connaissances sur ce sujet, grâce à l’utilisation d’une mini boucle solaire cylindro parabolique intégrant un stockage thermocline.En premier lieu, la compatibilité entre le fluide de transfert de la centrale (huile synthétique) et les potentiels matériaux de garnissage de la cuve de stockage (Cofalit, briques de cendres volantes, alumine) est vérifiée. Puis les performances de chacun des composants de la centrale (cuve de stockage, collecteurs solaires, générateur de vapeur) sont analysées expérimentalement et numériquement. Enfin, le comportement du système global est étudié, avec un accent porté sur l’impact de la variation de la température de sortie de la cuve thermocline sur les autres composants.Il a été montré qu’avec un dimensionnement et une stratégie de contrôle appropriés, la technologie thermocline diminue très peu les performances de la centrale solaire par rapport à la technologie conventionnelle à deux cuves (maximum 3 4 % de diminution de la production électrique). / Like other renewable energy technologies, concentrated solar power (CSP) suffers from resource intermittence. Thermocline technology is a promising solution to decrease cost of thermal energy storage in CSP plants. Thermocline behavior has thoroughly been studied in the past years and its behavior is considered well known. However no study treated of thermocline tanks integrated in CSP plants. Thus, the impact of the varying outlet temperature of the thermocline storage has not been assessed yet. This work aims to fill this lack of knowledge by studying a mini parabolic trough power plant integrating a thermocline tank as storage.First, the compatibility between the heat transfer fluid of the plant (synthetic oil) and various potential filler materials (Cofalit, coal fly ash bricks, alumina) of the storage tank is verified. Then, some performance studies are performed on the three main components of the power plant (energy storage tank, solar collectors, steam generator). Finally, the behavior of the whole system is assessed, with a focus on the impact of the varying fluid temperature at the outlet of the thermocline tank on the other components.It has been shown that, with a proper sizing and an appropriate control strategy, thermocline technology induces very low decrease of the solar power plant performance in comparison to the conventional two tank technology (maximum 3-4% of electrical power production difference).

In concentrated solar power (CSP) stations, large arrays of mirrors which are capable of changing its orientation are used to reflect the incident solar energy to a stationary receiver kept at a distance. Such mirrors are often called as heliostats. The receiver contains a heat absorbing medium like molten salt. By absorbing the thermal energy reflected from thousands of heliostats, the temperature would reach around 6000C and the heat can be used in thermal power plants to generate steam and thus run a turbine to produce electricity. One of the biggest advantages of CSP over conventional energy harvesting from Sun is that it can generate electricity during night for long hours of time from the thermal energy stored during daytime. This eliminates the usage of batteries or any other energy storing methods. The conversion efficiency is also high in CSP due to the high temperature achieved. With prior knowledge of the station coordinates, viz., the latitude and longitude, the day of the year and time, the direction or the path of sun can be fully determined. Typically, the sun's motion is tracked by the azimuth-elevation (Az-El) or the target-aligned configuration heliostats. In both these approaches, the mirror needs to be moved about two axes independently using two actuators in series with the mirror effectively mounted at a single point at the centre. This arrangement causes the mirror to deform in presence of gusty winds in a solar field which results in loss of pointing accuracy. Typically a beam error of less than 2-3 mrad is desirable in a large solar field and this value also includes other sources of loss of pointing accuracy like gravity and wind loading. In order to prevent this, a rigid support frame is required for each of the heliostats. In this work, two three degree-of-freedom parallel manipulators, viz., the 3-UPU wrist and 3-RPS, have been proposed to track the sun in central receiver systems. The main reasons for choosing a parallel manipulator as heliostat are its desirable characteristics like large load carrying capacity, high accuracy in positioning the mirror and easy to obtain the inverse kinematics and convenient for real time control. The proposed parallel manipulators support the load of the mirror, structure and wind loading at three points resulting in less deflection and thus a much larger mirror can be moved with the required tracking accuracy and without increasing the weight of the support structure. The algorithm for sun tracking is developed, extensive simulation study with respect to actuations required, variation of joint angles, spillage loss and leg intersection has been carried out. Using FEA, it is shown that for same sized mirror, wind loading of 22 m/s and maximum deflection requirement (2 mrad), the weight of the support structure is between 15% and 60% less with the parallel manipulators when compared to azimuth-elevation or the target-aligned configurations. A comprehensive study on stroke minimization of prismatic joints is carried out. It is found that a stroke of 700 mm is required for a 2 m x 2 m heliostat at Bangalore when the farthest heliostat is at a distance of 300 m from the tower. Although, there is an extra motor required to track the sun, the 3-RPS manipulator is better than the conventional methods if the mirror area per actuator criteria is taken into consideration. Prototypes of the Az-El and 3-RPS heliostats were made with a mirror size of 1 m x 1 m. A PID controller implemented using MATLAB-Simulink and a low cost, custom made motor driver circuit is used to control the motion of the 3-RPS heliostat. The algorithm developed is tested on the prototype by tracking a point marked on the wall of the lab space and is found to have a tracking error of only 7.1 mrad. Finally, the actual sun tracking is carried out on the roof of a building reflecting the sun-light to a wall situated 6.72 m above and a distance of 15.87 m from the heliostats. The images are captured at various instances of time from 11:30 a.m. to 3:30 p.m. on October 15th and November 10th, 2016, tracking errors are quantified and it is demonstrated that the proposed 3-RPS parallel manipulator can indeed work as a heliostat in concentrated solar power plants.

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), όπως η ηλιακή ενέργεια, μπορούν να προσφέρουν εναλλακτικούς τρόπους παραγωγής ενέργειας. Κάθε μορφή ΑΠΕ έχει τις δικές της ιδιομορφίες και μπορούν να εφαρμοστούν είτε σε μεγάλες εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας είτε σε μικρότερες μονάδες όπως στα κτίρια. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η συνδυασμένη αξιοποίηση των παραπάνω ενεργειακών πηγών, ιδίως για την κάλυψη των ηλεκτρικών και θερμικών αναγκών των κτιρίων.Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη συγκεντρωτικών συστημάτων χαμηλής συγκέντρωσης και των παραγόντων που επηρεάζουν την λειτουργία τους, με την χρήση τριών γεωμετρικών συγκεντρωτικών μέσων, τα οποία είναι: το σύστημα V-Trough, το σύστημα Fresnel γραμμικής εστίας και το κυλινδροπαραβολικό σύστημα γραμμικής εστίας, με χρήση συμβατικών φωτοβολταϊκών για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Όμως, από το την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία που συγκεντρώνεται στον απορροφητή, ένα μέρος μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, ενώ το υπόλοιπο μεταδίδεται στο περιβάλλον με την μορφή θερμότητας. Έτσι, περαιτέρω μελέτη έγινε με βάση την δημιουργία υβριδικού συγκεντρωτικού φωτοβολταϊκού/θερμικού συστήματος, ταυτόχρονης παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας χρησιμοποιώντας την βέλτιστη γεωμετρία, το οποίο θα μπορούσε να δώσει ικανοποιητικά ποσά θερμικής ενέργειας, χωρίς να ζημιώνεται η ηλεκτρική και το αντίστροφο, κάτι που θα καθιστούσε τα συστήματα αυτά ενεργειακώς και οικονομικώς πιο ανταγωνιστικά.Τα πειραματικά αποτελέσματα περιλαμβάνουν διαγράμματα ηλεκτρικών αποδοτικοτήτων των πειραματικών συστημάτων καθώς και των μεγεθών Pmax, Vpmax, Voc, Ιpmax, Ιsc, συναρτήσει της θερμοκρασίας λειτουργίας Tpv, κάτω από σταθερή ακτινοβολία G, θερμικών αποδόσεων, προφίλ κατανομών συγκεντρωτικής ακτινοβολίας καθώς και χαρακτηριστικές καμπύλες I-V για καθένα απ αυτά. / The renewable energy sources (RES) like solar energy, can offer an alternative solution to power production. Each form of RES, has its own specifications and they can be applied in big installations of electric and thermal energy production or in smaller units as the buildings. This thesis investigates the performance of three different types of solar concentrating systems, which are: the V-Trough system, the linear Fresnel system and the Parabolic Trough system, with usage of common photovoltaics, instead of concentrating photovoltaics, for the electricity production.However, only a small part of the incoming solar radiation it is changed by an absorber into electric energy, while the rest is transmitted to the environment with the form of heat. Thus, further study has been done with base of the creation of a hybrid concentrating photovoltaic/thermal system, with simultaneous production of electric and thermal energy using the most optimal geometry. This could give satisfactory sums of thermal energy, without affecting the production of electric energy and vice versa, something that would render this systems economically more competitively.The experimental results include diagrams with the electric performance of the experimental systems as well as values of Pmax, Vpmax, Voc, Ipmax, Isc, associated with the operating temperature Tpv, under constant radiation G, thermal output, distribution profiles of the concentrating radiation as well as characteristic curves I-V for each one of them.

L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement les performances énergétiques d'une installation de micro-cogénération solaire. Le prototype réalisé est constitué d'un concentrateur cylindro-parabolique associé à un moteur à vapeur fonctionnant suivant un cycle de Hirn (Rankine avec surchauffe). Les originalités de ce projet sont l’utilisation de l’énergie solaire, renouvelable et inépuisable mais intermittente, la génération directe de vapeur au sein d'un concentrateur de taille réduite (46,5 m²), le système de suivi solaire sur deux axes et le couplage à un moteur à piston non lubrifié. La première partie de l'étude porte sur le concentrateur seul. Son fonctionnement est étudié sur deux journées types (ensoleillée et nuageuse) et son rendement thermique est évalué. La dynamique du système est également abordée notamment par l'étude de sa réponse à des perturbations. Une régulation de type boucle ouverte a été mise en place et validée. La seconde partie concerne la caractérisation du moteur seul. Des essais ont été menés avec une puissance de source chaude stable puis variable. À partir des résultats obtenus, un modèle empirique est développé, puis exploité dans le cadre d'une étude paramétrique du moteur. Cette étude montre l'influence importante du ratio de pression et de la vitesse de rotation sur le rendement. Dans la dernière partie, les performances globales (rendement, puissances électrique et thermique produites) du micro-cogénérateur sont évaluées. Des essais à pression et à vitesse régulées sont présentés. A partir de cartographies de fonctionnement réalisées à l’aide d’un modèle empirique, une régulation basée sur l'utilisation d'un by-pass est alors mise en place, puis testée. / The objective of this thesis is the experimental study of the energy performances of a micro combined solar heat and power (micro-CHP) unit. The prototype is composed of a solar parabolic trough collector coupled to a Hirn (superheated Rankine) cycle engine. The originalities of this project are the use of solar energy which is renewable and inexhaustible but intermittent, the direct steam generation with a reduced size parabolic trough collector (46.5 m²), the two axis tracking system and the coupling with an oil-free reciprocating steam engine. The first part of this study is focussed on the solar collector. Thermal performances under sunny and cloudy conditions are presented and the thermal efficiency is evaluated. The system dynamic is also investigated through the characterization of the inertia as well as a study of its response to perturbations. Then a control strategy is set up and validated. The second part deals with the characterization of the engine. Tests have been performed with a stable and variable heat source power. From these tests, an empirical model has been developed and used in a parametrical study. This study shows the significant influence of the pressure ratio and of the rotational speed on the efficiency of the engine. In the last part, global performances (efficiency, output thermal and electrical powers) of the entire micro-CHP unit are evaluated. Tests with controlled pressure and speed are presented. From operating maps established from an empirical model, a control strategy based on the use of a by-pass is set up and tested.