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Bolivia is a developing country in South America. Many rural communities still lack access to electricity. The extension of the National Grid System to all rural communities is not feasible due to economic and topographic challenges as well as the environmental problems that may arise. To tackle these problems, Off-grid solutions are implemented. Photovoltaic (PV) panels combined with batteries are a viable option for areas located close to the equator and high altitudes such as Bolivia. Almost always a controlled source of energy such as Diesel generators must complement the PV system due to the stochastic nature of solar energy. The use of fossil fuel can be detrimental to the environment and more environmentally friendly solutions are being investigated. The use of wood pellets in Stirling engines is a viable replacement for Diesel generators.  The purpose of this study is to investigate and compare the environmental impacts caused by two Off-grid hybrid systems. The first one is composed of a Diesel generator, PV panels, and batteries. The second one is composed of a Stirling engine, PV panels, and batteries. The study area chosen for this work is the community El Carmen, Pando, in Bolivia. A Life Cycle Assessment (LCA) model is carried out for the systems according to the 4 phases of the LCA methodology. First, individual LCA models for all midpoint impact categories are generated. Secondly, a comparative LCA between the two systems, both at midpoint and endpoint, is created. Finally, a sensitivity analysis is conducted to determine the robustness of the models.  The individual midpoint analysis of both systems showed that the controlled part of the electricity production (i.e., the Diesel generator and the Stirling engine) generated the greatest impact in the categories Global warming, Stratospheric ozone depletion, Ionizing radiation, Ozone formation, Fine particulate matter formation, Terrestrial acidification, Human carcinogenic toxicity, Land use, Fossil fuel scarcity, and Water consumption. All the processes related to the PV panels generated a greater impact in all Ecotoxicity categories (terrestrial, marine, and freshwater), Eutrophication (freshwater and marine), and Human non-carcinogenic toxicity.  The midpoint results of the comparative LCA are inconclusive. Each system received higher scores in certain categories and lower scores in others. No firm conclusion could be drawn regarding the identification of the more environmentally friendly alternative. The Diesel/PV/Batteries system dominated the Global warming, Tropospheric ozone formation, Fine particulate matter formation, Terrestrial acidification, and Fossil resource scarcity categories. The Stirling/PV/Batteries system showed a greater impact on Stratospheric ozone depletion, Ecotoxicity, Eutrophication, Human carcinogenic toxicity, Human non- carcinogenic toxicity, and Mineral resource scarcity.  The endpoint damage assessment showed that the emissions and midpoint categories described had a greater impact on Human health and Resource scarcity in the case of the Diesel/PV/Batteries system. On the other hand, the Stirling/PV/Batteries system caused greater damage to the Ecosystem category.  The sensitivity analysis was conducted in two scenarios for each system. In the first scenario, alteration of fuel transport distance, no significant changes were detected in all endpoint categories. In the second scenario, alteration of Diesel/Stirling Contribution, the model showed an increasing trend (~30% for the first system and ~25% for the second one) in all categories when the contribution of the controlled part of the electricity production was increased. / Bolivia är ett utvecklingsland i Sydamerika där många landsbygdssamhällen fortfarande saknar tillgång till elektricitet. En anslutning till det nationella kraftsystemet är inte genomförbar på grund av de ekonomiska och topografiska svårigheterna samt miljöproblemen som kan uppstå. För att ta itu med problemet måste decentraliserade lösningar hittas. Solcellspaneler i kombination med batterier utgör ett möjligt alternativ för avlägsna områden som befinner sig nära ekvatorn och vid höga höjder. Ett sådant system behöver dock ytterligare en kontrollerad energikälla för att tillgodose efterfrågan på grund av den ojämna tillgången på solenergi. Det vanligaste alternativet är dieselgeneratorer. Men förbränning av fossila bränslen påverkar klimatet och mer miljövänliga lösningar undersöks. Stirlingmotorer som använder träpellets skulle kunna ersätta dieselgeneratorn i kampen för en bättre miljö.  Syftet med denna studie är att undersöka och jämföra miljöpåverkan av två hybridsystem. Det ena systemet består av en dieselgenerator, PV-paneler och batterier medan det andra systemet består av en Stirlingmotor, PV-paneler och batterier. Det utvalda studieområdet är samhället El Carmen, Pando, i Bolivia. En livscykelanalys (LCA) utförs för de två systemen enligt LCA-metodiken. Först, utförs individuella LCA för vardera system för alla påverkanskategorier vid midpoint. Sedan utförs en jämförande LCA mellan de två systemen för alla påverkanskategorier både vid midpoint och endpoint. Slutligen, utförs en känslighetsanalys för att testa systemens robusthet.  Den individuella analysen vid midpoint för båda systemen påvisade att den kontrollerade delen av elproduktion, det vill säga dieselgeneratorn och Stirlingmotorn, genererade den största miljöpåverkan i kategorierna Global uppvärmning, Uttunning av ozonskiktet, Joniserande strålning, Bildning av marknära ozon, Bildning av partiklar, Försurning, Cancerframkallande humantoxicitet, Landanvändning, Brist på fossila resurser och Vattenförbrukning. Alla processerna kopplade till PV-elproduktionen genererade en större miljöpåverkan i kategorierna Ecotoxicitet (mark, söt- och havsvatten), Övergödning (såväl söt- som havsvatten) och Icke cancerframkallande humantoxicitet.  Resultaten vid midpoint för den jämförande LCA är inte övertygande. Vardera system fick högre poäng i vissa kategorier men lägre poäng i andra. Ingen tydlig slutsats kunde dras angående identifieringen av det mer miljövänliga alternativet. Diesel/PV/Batteri-systemet dominerar kategorierna Global uppvärmning, Bildning av marknära ozon, Bildning av partiklar, Försurning och Brist på fossila bränslen medan Stirling/PV/Batteri-systemet påvisade större miljöpåverkan i kategorierna Uttunning av ozonskiktet, Ekotoxicitet, Övergödning, Cancerframkallande humantoxicitet och Brist på mineraltillgångar.  Skadebedömningen vid endpoint påvisade att de redovisade utsläppen och midpoint- katergorierna har en större påverkan på människors hälsa och resursbrist i Diesel/PV/Batteris fall. Däremot påvisade det Stirling/PV/Batteri-systemet en större påverkan på ekosystemet.  Känslighetsanalysen utfördes i två scenarier. I det första scenariot ändrades avståndet för bränsletransport. Ingen signifikant skillnad påvisades i någon av de tre endpoint- kategorierna. I det andra scenariot, Diesel/Stirling insats, påvisades en ökande trend (~30% för första systemet och ~25% för det andra) i alla endpoint-kategorier med ökandet av insatsen från den kontrollade delen av elproduktion.

No

Voir résumé étendu en français en fin de thèse. / In the actual energetic and economic context, energy polygeneration represents the answer regarding the efficient use of a fuel. This solution would diminish the losses associated to the classical methods of energy production and, as a result, would increase the installations' efficiency. The polygeneration systems (cogeneration/trigeneration of energy), consist of various technologies that offer alternatives to the global problems linked to energy, such as energy scarcity, energy supply security, emissions control from the production of energy, economy and energy conservation, etc.. This doctoral thesis examines two types of polygeneration of energy. The first part focuses on the analysis of a high power trigeneration system based on a gas turbine installation for production of electrical energy, the second part of the thesis is dealing with a system of micro-cogeneration of energy powered by a solar Stirling engine. Given the actuality and interest for the polygeneration field of energy production, there is a constant concern to simulate and optimize the operation of this kind of systems in order to achieve significant performance designed to satisfy the consumers' needs

Cette thèse se divise en 2 grandes parties indépendantes ; la première traitant des nombres de Jacobi-Stirling, la seconde abordant les nombres d'Entringer. La première partie introduit les nombres de Jacobi-Stirling de seconde et de première espèce comme coefficients algébriques dans des relations polynomiales. Nous donnons des interprétations combinatoires de ces nombres, en termes de partitions d'ensembles et de quasi-permutations pour les nombres de seconde espèce, et en termes de permutations pour les nombres de première espèce. Nous étudions également les fonctions génératrices diagonales de ces familles de nombres, ainsi qu'une de leur généralisation sur le modèle des r-nombres de Stirling. La seconde partie introduit les nombres d'Entringer à l'aide de leur interprétation en termes de permutations alternantes. Nous étudions les différentes formules de récurrence vérifiées par ces nombres et généralisons ces résultats à l'aide d'un q-analogue utilisant la statistique d'inversion. Nous verrons également que ces résultats peuvent être étendus à des permutations de forme donnée quelconque. Enfin, nous définissons la notion de famille d'Entringer, et établissons des bijections entre certaines de ces familles. En particulier, nous établissons une bijection reliant les permutations alternantes de premier terme fixé, aux arbres binaires croissants dont l'extrémité du chemin minimal est fixée.

Helmut-Schmidt-Univ., Habil.-Schr.--Hamburg, 2004. / Literaturverz. S. [324] - 351.

La première partie de la thèse comporte l’étude des machines à froid, en tenant compte de la vitesse finie des processus. L’approche est basée sur une nouvelle méthode d’optimisation des processus et cycles à vitesse finie, la Méthode Directe d’étude et évaluation des irréversibilités. Les performances de ces cycles sont évaluées en prenant en compte les irréversibilités internes générées par la vitesse finie, notamment (1) les pertes de pression dues au laminage, (2) les pertes de pression dues à la vitesse finie du piston, (3) les pertes de pression dues aux frottements interne et mécanique et (4) l’irréversibilité due aux pertes de chaleur. On obtient ainsi directement l'expression du rendement ou du coefficient de performance et de la génération d’entropie en fonction de la vitesse des processus et d'autres paramètres géométriques et fonctionnels. Le travail proposé pour cette partie de thèse analyse la génération des irréversibilités dans une machine thermique fonctionnant selon le cycle inverse quasi-Carnot (Machine Frigorifique à compression mécanique des vapeurs), en proposant un schéma de calcul complètement analytique. A l’aide de ce schéma de calcul on peut développer des études de sensibilité et d’optimisation de ces machines, sans avoir besoin d’utiliser de tableaux des vapeurs saturés.La deuxième partie du mémoire présente l’application des modèles thermodynamiques (la Méthode Directe, la Méthode de la Thermodynamique en Dimensions Physiques Finies (TDPF), la méthode isotherme de Schmidt, la méthode adiabatique de Finkelstein) dans l’étude des machines Stirling – moteurs et récepteurs et confrontation avec l’expérience.La Méthode de la TDPF est une méthode qui regroupe les techniques de la thermodynamique en temps, vitesse et dimensions géométriques finies. Cette méthode introduit les exo-irréversibilités dues aux transferts de chaleur finis entre les réservoirs (source chaude, puits froid, régénérateur) et le fluide de travail et, de plus, considère les contraintes qui se présentent à l’ingénieur (la pression maximale, le volume maximum, les températures des réservoirs chaud et froid, la vitesse de rotation). La méthode isotherme de Schmidt est une méthode zéro-dimensionnelle qui permet l’étude de la machine divisée en trois volumes isothermes. Elle permet de décrire l’évolution de paramètres, comme le volume instantané (chaud, froid ou de régénération) ou la pression en fonction du temps. L’analyse des processus de transfert de la chaleur et d’écoulement du gaz de travail, ayant lieu dans le moteur Stirling d’un micro-cogénérateur, est effectuée en utilisant un model adiabatique monodimensionnel. Cette analyse repose sur la division du moteur Stirling en 5 volumes de control auxquels on applique les équations des gaz parfaits et les équations de conservation de masse et d’énergie.Les résultats expérimentaux seront confrontés à ceux obtenus par les quatre méthodes de calcul, ce qui permettra de définir les paramètres d’ajustage afin de valider les modèles thermodynamiques. Cette confrontation permettra le développement d’une autre méthode, une combinaison des trois approches utilisées afin de modéliser au mieux le fonctionnement du système, préservant les avantages de chacune sur des intervalles de vitesse de rotation donnés.Des études de sensibilité et d’optimisation de paramètres géométriques et fonctionnels seront effectuées afin de proposer des améliorations de mise au point système pour fournir puissance et de rendement plus élevés. / This paper presents the author's overall results obtained in his doctoral thesis, on: The analysis of entropy generation and the evaluation of the performances of the inversed cvasi-Carnot cycle; The application of the Direct Method, Finite Physical Dimensions Thermodynamics method (TDFF), Schmidt’s isotherm method and Finkelstein’s adiabatic model in the study of Stirling engines – engines and machines that function on reversed cycles (receivers) and the confrontation of analytical results with the experimental ones. The first part of the thesis covers the study of the refrigeration machines, considering the finite speed of the processes. The study is based on a new method to optimize the processes and the cycles with finite speed, the Direct Method of study and the evaluation of the irreversibilities. The performance of these cycles are evaluated using analytical relations, considering internal irreversibilities generated by finite speed, especially the pressure losses due to (1) throttling (2) finite speed of the piston (3) internal and mechanical friction (4) irreversibilities due to heat losses. These irreversibilities are introduced in the expression of the First Principle of Thermodynamics for processes with finite speed, and its application leads directly and through analytical means to the expressions of efficiency or coefficient of performance and entropy generation, function of the finite speed of the processes and other geometrical and functional parameters of the machine. The proposed study for this first part of the thesis analyzes the generation of thermal irreversibilities in a thermal machine functioning on a cvasi-Carnot reversed cycle (refrigerating machine with mechanical compression of vapor-IFV) proposing a completely analytical calculation scheme. With this calculation scheme sensitivity studies and optimization of these types of machines were developed, without having to use saturated vapor tables.The second part of the thesis presents the application of thermodynamic models (Direct Method, Finite Physical Dimension thermodynamics method, Schmidt's isotherm model and Finkelstein’s adiabatic model) in the study of Stirling engines – engines and machines that function on reversed cycles (receivers) and the confrontation of analytical results with the experimental ones. The Direct Method consists in the study and assessment of the irreversibilities generated in thermal machines by analyzing the cycle step by step (progressive) and the direct integration of the equation the First Principle of Thermodynamics combined with the Second Principle of Thermodynamics with finite speed, for each process of the cycle. This provides analytical expressions for power and efficiency or coefficient of performance COP, function of the speed of the processes and other geometric and functional parameters.

In dieser Arbeit wird eine Methode zur Leistungsoptimierung der Kolbenpfade von Stirling-Motoren entwickelt, die auf der Theorie der optimalen Steuerung beruht. Für die effiziente praktische Umsetzbarkeit ist dabei ein geringer numerischer Aufwand des eingesetzten thermodynamischen Modells entscheidend. In detaillierten Modellen von Stirling-Motoren resultiert ein Großteil des numerischen Aufwandes aus der Beschreibung des Regenerators, einem gasdurchströmten Kurzzeit-Wärmespeicher. Im ersten Teil der Arbeit wird der Fokus deshalb auf die Entwicklung eines effizienten Regeneratormodells gelegt. Hierbei wird ein neuartiger Ansatz gewählt, der sich aus der Perspektive der Endoreversiblen Thermodynamik ergibt: Der Regenerator wird als endoreversibles Teilsystem betrachtet, welches an zwei Kontaktpunkten durch irreversible Interaktionen mit den benachbarten Teilsystemen Gasteilchen, Entropie und Energie austauscht. Innere Irreversibilitäten des Regenerators werden als Entropiequellterme in die Modellierung einbezogen. Im zweiten Teil der Arbeit wird dann ein iterativer Optimierungsalgorithmus erarbeitet, der die Leistung von Stirling-Motoren unter periodischen Randbedingungen für eine vorgegebene Periodendauer maximieren kann. Der Algorithmus startet mit vorgegeben initialen Kolbenpfaden, die im Laufe der Iterationen graduell verschoben und so den optimalen Pfaden angenähert werden. Um diese graduelle Verschiebung zu bestimmen, muss in jedem Iterationsschritt neben dem Differentialgleichungssystem, das die Thermodynamik des Stirling-Motors beschreibt, ein konjugiertes Differentialgleichungssystem gelöst werden. Der erarbeitete Algorithmus nutzt dabei die Existenz eines Grenzzyklus des konjugierten Differentialgleichungssystems unter Zeitumkehr zu dessen Lösung für periodische Randbedingungen aus. Unter Verwendung des endoreversiblen Regeneratormodells wird mit diesem iterativen Optimierungsalgorithmus die Theorie der optimalen Steuerung erstmals für die Kolbenpfadoptimierung eines beispielhaften Stirling-Motors in α-Konfiguration eingesetzt. / In this thesis a method for power optimization of the piston paths of Stirling engines is developed, which is based on Optimal Control Theory. For the efficient practical feasibility of this task, low numerical effort of the utilized thermodynamic model is crucial. In detailed models of Stirling engines, a large part of the numerical effort results from the description of the regenerator, which is a short-time heat storage. Therefore, in the first part of this thesis the focus is on the development of an efficient regenerator model. Here, a novel ansatz is chosen which arises from the perspective of Endoreversible Thermodynamics: The regenerator is described as an endoreversible subsystem that has two contact points, at which it exchanges particles, entropy, and energy with the adjacent subsystems through irreversible interactions. Internal irreversibilities of the regenerator are included in the model as entropy source terms. In the second part of the thesis an iterative optimization algorithm is worked out, which can maximize the power output of Stirling engines under periodic boundary conditions for given cycle time. The algorithm starts with predefined initial piston paths, which are gradually shifted over the course of the iterations and thus approach the optimal paths. To determine this gradual shift, in every iteration not only the system of differential equations describing the thermodynamics of the Stirling engine needs to be solved, but also a conjugate system of differential equations. The algorithm here exploits the existence of a limit cycle of the conjugate system under time reversal to solve it for periodic boundary conditions. By means of the endoreversible regenerator model, with this iterative optimization algorithm Optimal Control Theory is applied for the first time to optimize the piston paths of an exemplary Stirling engine in α-configuration.

Cette thèse porte sur le développement d’un cogénérateur résidentiel constitué d’un générateur linéaire asynchrone entraîné par deux moteurs Stirling fonctionnant en mode ‘piston libre double effet’. Les critères caractérisant un tel cogénérateur sont décrits ainsi que ses différents modes d’utilisation dans le domaine résidentiel. Les différentes technologies sont passées en revue.Les équations de la mécanique sur lesquelles se fondent le contrôle du couplage thermoélectrique du cogénérateur et sa stabilité y sont définies. Le générateur électrique est modélisé en vue de calculer les grandeurs électriques des équations à bobines couplées et les grandeurs du schéma électrique équivalent, ce schéma permet d’inverser le modèle.Les résultats des modèles analytiques sont validés par des mesures faites sur des maquettes spécialement conçues. Une étude paramétrique de la structure du générateur a permis d’optimiser ses performances. Les équations de la mécanique et le modèle électrique sont utilisés pour poser les bases d’une optimisation ‘système’ du cogénérateur. / This thesis focuses on the development of a residential cogenerator which consists of a linear induction generator driven by two Stirling engines, free-piston double-acting operating mode. The criteria characterizing such cogenerator are described and its various modes of use in the residential sector. The various technologies are reviewed.The equations of mechanics that underlie the control of the coupling of thermoelectric cogeneration and stability are defined.The electric generator is modeled to calculate the electrical coil coupled equations and the magnitudes of the equivalent circuit, this scheme allows us to reverse the pattern. The results of analytical models are validated by measurements on specially designed models. A parametric study of the structure of the generator has optimized its performances. The equations of mechanical and electrical model are used to lay the groundwork for optimization of all the cogenerator, considered as a system.

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