L'introduction des nouveaux moyens de transformation de l'énergie primaire et des nouvelles sources d'énergie renouvelables dans les réseaux de distribution entraîne l'apparition de phénomènes nouveaux qu'il est nécessaire d'étudier en détail. Le recours à la modélisation de ces nouvelles sources est nécessaire afin de permettre la simulation de leur fonctionnement. Les modélisations simplifiées utilisées dans les logiciels grands réseaux sont d'abord présentées à la lumière de l'outil Graphe Informationnel de Causalité. Cette démarche de simplification de modèles est poursuivie pour les nouveaux dispositifs de production à connexion électronique au réseau électrique. Une approche générique de modélisation et de commande des sources distribuées de production d'énergie électrique est ensuite proposée. Nous proposons une classification des sources de production décentralisées connectées aux réseaux BT en sources ynamiques caractérisées par une cinématique de transmission dans la génération de puissance et sources statiques caractérisées par l'absence de mouvement mécanique dans la génération de puissance. Dans un cas comme dans l'autre, nous présentons une approche générale de modélisation de ces sources basées sur des considérations d'échanges énergétiques afin d'en déduire les principes fondamentaux de commande. Cette approche est ensuite illustrée sur l'exemple d'une microturbine à gaz, des systèmes à piles à combustible ainsi que des systèmes photovoltaïques. Dans la partie finale de cette thèse, nous proposons deux exemples d'application d'étude de dynamique de réseaux. Le premier traite de la problématique de la régulation de la tension au point de connexion d'une source de production décentralisée. Les principaux moyens de réglage de la tension utilisés dans les réseaux de distribution sont répertoriés. On s'intéresse au réglage de la tension par le contrôle de la puissance réactive d'abord, puis, lorsque c'est nécessaire, par la limitation de la puissance active des sources de production décentralisée. Un algorithme optimisé de réglage de la tension pour les systèmes de production décentralisée est élaboré et testé en simulation. Le deuxième exemple d'application porte sur l'étude d'une source de production décentralisée (une micro turbine) connectée au réseau de distribution Basse Tension. Cette simulation est implantée sur un simulateur temps réel (Hypersim) de réseau sur lequel la source est connectée ce qui permet le test en temps réel sur de loi de commande externe au simulateur. Une étude du comportement en cas de court-circuit est proposée.

La synthèse de nanoparticules d'oxydes de titane par pyrolyse laser est étudiée dans ce mémoire. Cette technique de synthèse en voie gaz originale nous permet de modifier de manière souple les conditions de réaction et d'obtenir en une seule étape de synthèse des nanoparticules de taille, composition chimique et structure cristallographique contrôlées.Lors de cette étude, deux voies ont été envisagée afin de synthétiser des nanoparticules d'oxydes de titane présentant une absorption dans le domaine du visible. D'une part la synthèse de dioxyde de titane (TiO2) dopé azote et d'autre part, la synthèse d'oxydes de titane moins oxydés que le TiO2.Premièrement, la synthèse de nanoparticules de dioxyde de titane est réalisée grâce à l'utilisation du tetraisopropoxyde de titane comme précurseur. La pyrolyse laser nous permet de contrôler la phase de TiO2 obtenue, anatase ou rutile. Puis, en employant l'ammoniac comme dopant, nous avons pu synthétiser du TiO2 anatase dopé azote, présentant une absorption dans le visible.Deuxièmement, en modifiant les paramètres de synthèse, il a été possible de synthétiser des phases de Magnéli sous forme de nanoparticules, présentant également une absorption dans le visible. Il a également été possible d'obtenir à pression atmosphérique la phase TiO2-II, qui est une phase haute pression du TiO2, par oxydation d'une des phases de Magnéli. Troisièmement, en employant l'effet réducteur de l'ammoniac nous avons réussi à synthétiser des nanoparticules d'oxynitrures de titane Ti(O,N). Une étude poussée par diffraction de rayons X, spectroscopie d'absorption des rayons X, spectroscopie de photoélectrons X, spectroscopie de perte d'énergie électronique ainsi qu'une étude en température, nous ont permis de bien caractériser la structure de cette phase peu commune. De plus, les propriétés optiques se sont révélées très intéressante, puisque le matériau subit une transition métal/semi-conducteur selon son oxydation et présente une absorption très importante dans la région du visible.Enfin, les nanoparticules de TiO2 et de TiO2 dopées azote ont été employées pour l'élaboration de cellules solaire tout solide à colorant organique. Les premiers résultats montrent d'une part que la morphologie des ces nanoparticules est adaptée à leur emploi pour ce type de dispositifs, avec des rendements proche de l'état de l'art mondial. Et d'autre part, que le dopage à l'azote permet de collecter une quantité de photons plus importante grâce au domaine d'absorption de ces nanoparticules et de générer une densité de courant plus élevée.

La Corse faisant partie des petits réseaux insulaires non-interconnectés, son approvisionnement énergétique est très particulier. En effet, comme toutes les îles, elle doit se suffire à elle-même. Une solution souvent adoptée pour pallier à cet isolement, consiste à recourir aux énergies renouvelables. Cependant, à cause de leur caractère intermittent, elles ne sont insérées que de manière limitée au sein des réseaux électriques. Il est nécessaire d'utiliser en parallèle d'autres moyens de production d'énergie, avec comme principale difficulté, la gestion optimale de la bascule entre ces deux types d'énergie. Cette étude s'inscrit dans le cadre de la prédiction de la ressource solaire et photovoltaïque dans le but de quantifier l'énergie disponible et de permettre une gestion optimale de la transition entre énergies intermittentes et conventionnelles. Tout au long de ces travaux, nous avons ainsi testé différentes techniques de prédiction sur quatre horizons susceptibles d'intéresser un gestionnaire de réseau : j+1, h+24, h+1 et m+5. A l'issue de toutes ces manipulations, nous pouvons conclure que suivant l'horizon considéré, la hiérarchisation des différents prédicteurs fluctue. On retiendra ainsi que, pour l'horizon j+1, il est intéressant d'utiliser une approche à base de réseaux de neurones en prenant soin de stationnariser les séries temporelles et d'utiliser des variables exogènes. Pour l'horizon h+1, une méthodologie hybride couplant la robustesse des modèles autorégressifs et la non-linéarité des modèles connexionnistes permet d'obtenir des résultats très satisfaisants. Pour le cas h+24, les réseaux de neurones à sorties multiples donnent de très bons résultats. Concernant l'horizon m+5, les conclusions sont moins catégoriques. Ainsi, même si les réseaux de neurones sont les plus performants, la simplicité et les résultats d'une approche basée sur la persistance, nous conduisent à préconiser principalement ce prédicteur. L'ensemble des méthodologies proposées et des résultats obtenus sont complémentaires avec les travaux de prédiction bibliographiques étudiés. Les méthodologies développées pourraient, à terme, être reprises comme éléments de prédiction dans des outils globaux de contrôle et de commande des systèmes énergétiques.

Les cellules solaires à base de couches minces de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), préparées par co-évaporation, atteignent des rendements de conversion jusqu'à 20%. Le développement de méthodes de synthèse telles que l'électrodépôt devrait permettre d'abaisser les coûts de production. Ce travail présente une étude de l'électrodépôt d'alliages Cu-In-Ga en milieu acide aqueux sur substrat de verre recouvert de molybdène. La sélénisation thermique entre 400°C et 600°C permet de former le CIGS. Après une étude bibliographique sur les méthodes de synthèse de CIGS (chapitre 1), les techniques expérimentales utilisées sont décrites dans le chapitre 2. Le chapitre 3 est consacré à l'étude des conditions d'électrodépôt des alliages Cu-In-Ga, à partir d'une analyse de chimie des solutions, puis d'études dédiées dans les électrolytes élémentaires, binaires et ternaires par voltampérométrie. L'analyse chimique et structurale des dépôts permet de corréler le comportement électrochimique avec la présence de phases particulières, notamment Cu2In, CuIn, In ou CuGa2. Les paramètres contrôlant la composition, la teneur en oxygène, ainsi que la structure des alliages Cu-In-Ga sont déterminés. Le chapitre 4 décrit les traitements thermiques mis au point permettant d'obtenir des absorbeurs compacts de composition souhaitée. La spectroscopie Raman est utilisée pour distinguer les phases : la ségrégation du Ga vers la couche de molybdène est ainsi mise en évidence. Des cellules solaires du type Mo/CIGS/CdS/ZnO sont réalisées, et des rendements de conversion photovoltaïque de 9,8 % sont obtenus, avec présence de phases secondaires appauvries en cuivre dans le matériau.

Augmenter la durée de vie d'une pile, voire s'en passer est aujourd'hui devenu une obligation pour les microsystèmes. En effet, à cette échelle, le remplacement des piles et leur rejet dans l'environnement sont problématiques. La voie préconisée pour répondre à cet enjeu est d'utiliser des sources d'énergie renouvelables (solaire, thermique et mécanique). Pour cela, nous proposons de développer une plateforme de récupération d'énergie multi-sources/multi-charges (MANAGY) capable de s'adapter à son environnement pour en extraire le maximum d'énergie et répondre à des applications diverses. L'architecture est constituée de chemins directs et de chemins indirects où l'énergie provenant des sources est d'abord transférée dans une unité de stockage avant d'être réutilisée par les charges du microsystème. L'utilisation de cette nouvelle architecture permet d'optimiser le transfert d'énergie entre sources et charges et améliore le rendement du système de 33%. Avant de développer une architecture multi-sources, nous avons cherché à améliorer le rendement de la source photovoltaïque (PV) qui, au vu de l'état de l'art, a la densité de puissance la plus élevée. La recherche du rendement maximum de la source PV revient à la recherche du point de puissance maximum (MPPT). Il existe pour chaque condition d'irradiance, de température, et d'énergie extraites un couple tension-courant permettant à la source de fournir un maximum de puissance (MPP). Grâce à l'utilisation de deux chemins de puissance, nous arrivons simultanément à créer une boucle de régulation faible puissance agissant sur le rapport cyclique du système de gestion d'énergie (MPPT) et une boucle de régulation de la tension de sortie agissant sur le transfert de l'énergie. La modélisation du système nous a permis de spécifier ses performances. Pour atteindre les performances requises, des architectures innovantes ont été réalisées qui ont fait l'objet de trois brevets. De plus, des blocs ne sont activés qu'aux instants de changement d'état du système et sont conçus, quand cela a été possible, avec des transistors fonctionnant en mode faible inversion. Toutes ces optimisations permettent au système de fonctionner sur une large plage de variation de l'éclairement (de conditions intérieures supérieures à 500 lux à extérieures) avec un rendement proche de 90%.

Face au défi énergétique actuel, les systèmes hybrides à énergie renouvelable apparaissent comme une solution potentielle pour la production d'électricité. Cependant, de nombreux verrous, comme par exemple le coût, l'intermittence de l'énergie produite ou encore la fiabilité de ces systèmes, empêchent le recours massif à l'utilisation de telles solutions. Afin de les surmonter, des solutions doivent être apportées aux deux problématiques majeures de ces systèmes que sont le dimensionnement optimal et la gestion de l'énergie. Cette thèse propose donc des solutions pour chacune de ces deux thématiques. La première partie de ce mémoire définit ces deux problématiques. Puis, avant de proposer certaines voies d'améliorations, les solutions déjà apportées sont analysées en soulignant leurs intérêts mais aussi leurs limites. La seconde partie détaille la solution apportée pour le dimensionnement optimal, en s'appuyant sur un système composé d'un générateur photovoltaïque (PV), de batteries et d'une pile à combustible (PàC). La solution repose sur l'utilisation d'une fonction de coût, d'un modèle énergétique permettant d'évaluer les contraintes subies par les composants et d'un algorithme génétique pour l'optimisation. A partir de deux cas d'études, les résultats d'optimisation sont donnés et l'intérêt du couplage PV-PàC est analysé. Les deux dernières parties présentent l'application du principe des systèmes multi-agents (SMA) pour la gestion d'énergie d'un système multi-sources. Le chapitre 3 expose l'intérêt de cette méthode et détaille sa mise en oeuvre. Ensuite, la création d'un modèle de simulation du système permet de valider le principe imaginé. Enfin, le dernier chapitre présente les résultats expérimentaux obtenus à partir d'un système composé de super-condensateurs, d'une batterie, d'un PV et du réseau. Pour la première fois, ces résultats montrent expérimentalement le fonctionnement d'un SMA pour la gestion d'énergie.

L'intégration de panneaux photovoltaïques dans un système électrique réduit la consommation des sources fossiles et apporte des avantages environnementaux. Toutefois, l'intermittence et les fluctuations de puissance détériorent la qualité d'alimentation électrique. La solution proposée est d'ajouter des éléments de stockage, coordonnés par un contrôleur local qui gère les flux de puissance entre toutes les sources et la disponibilité énergétique. Ce générateur actif PV peut générer des références de puissance et fournir des services " système " au réseau électrique. Puis les concepts liés au micro réseau sont transposés pour concevoir un système central de gestion de l'énergie d'un réseau électrique résidentiel, qui est alimenté par des générateurs actifs PV et une micro turbine à gaz. Un réseau de communication est utilisé pour échanger des données et des références de puissance. Un système de gestion de l'énergie est développé avec différentes fonctions de contrôle sur des échelles de temps différentes afin de maximiser l'utilisation de l'énergie PV. Une planification opérationnelle quotidienne est conçue par un algorithme déterministe, qui utilise la prédiction d'énergie PV et de la charge. Puis ces références de puissance sont actualisées chaque demi-heure en tenant compte de la disponibilité de l'énergie PV et l'état des unités de stockage. Les erreurs de prévision et les incertitudes sont compensées par le réglage primaire de fréquence. Les résultats de simulation et les tests valident la conception de la commande du générateur actif photovoltaïque ainsi que le système central de gestion de l'énergie du réseau résidentiel étudié

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

L'évolution de la production mondiale de cellule photovoltaïque a entraîné une pénurie en silicium de haute pureté. Le silicium de qualité moindre provoque, lors de la cristallisation, l'apparition de morphologies indésirables (grits) dues à la précipitation de carbure et de nitrure de silicium. Cependant les paramètres physico-chimiques liés à ces phénomènes sont encore inconnus. Dans ce but, nous avons développé une expérience de lévitation électromagn étique sous ultra vide permettant de mesurer la surfusion de germination du silicium en présence de carbone et d'azote dans des conditions contrôlées. Les résultats ont montré une diminution drastique de la surfusion en augmentant la concentration en impureté. En parall èle un modèle de transition facetté-équiaxe a été développé. En s'appuyant sur des modèles analytiques, il permet de prédire les transitions colonnaires-grits au cours de la solidication d'un lingot ainsi que la répartition en taille des grains dans les zones de grits.

L'évolution de la production mondiale de cellule photovoltaïque a entraîné une pénurie en silicium de haute pureté. Le silicium de qualité moindre provoque, lors de la cristallisation, l'apparition de morphologies indésirables (grits) dues à la précipitation de carbure et de nitrure de silicium. Cependant les paramètres physico-chimiques liés à ces phénomènes sont encore inconnus. Dans ce but, nous avons développé une expérience de lévitation électromagnétique sous ultra vide permettant de mesurer la surfusion de germination du silicium en présence de carbone et d'azote dans des conditions contrôlées. Les résultats ont montré une diminution drastique de la surfusion en augmentant la concentration en impureté. En parallèle un modèle de transition facetté-équiaxe a été développé. En s'appuyant sur des modèles analytiques, il permet de prédire les transitions colonnaires-grits au cours de la solidification d'un lingot ainsi que la répartition en taille des grains dans les zones de grits.