Ce mémoire présente une étude d'un chargeur de batterie solaire avec un suiveur du point de puissance maximale (MPPT) qui a été introduit en vue d'obtenir un rendement énergétique maximal. L'interface entre le panneau solaire et la batterie a été réalisée en utilisant un convertisseur DC-DC SEPIC commandé par un microcontrôleur « PIC 18F1220 ». Grâce à la méthode Perturb & Observ (P&O) l'algorithme MPPT mesure périodiquement la tension et le courant du panneau solaire pour calculer la puissance délivrée par ce dernier. Suivant le résultat obtenu, l'algorithme ajustera le rapport cyclique du convertisseur pour amener le système vers le point de fonctionnement à puissance maximale.

Le sujet d’étude de cette thèse porte sur la recherche et le développement d’une couche antireflet (ARC) qu’il serait possible de déposer sur des surfaces à structure particulière (non plane). Plus spécifiquement, il s’agit de surfaces d’éléments optiques utilisés dans des systèmes de concentrateurs photovoltaïques (CPV). Ce projet de recherche a été initié par la compagnie Opsun Technologies Inc. suite à un constat de phénomène de réflexion introduite à l’ajout d’éléments optiques hautement focalisant dans leur système de CPV (que l’on va appeler HCPV par la suite). En effet, pour concentrer le rayonnement solaire sur une cellule photovoltaïque (PV), il est nécessaire d’ajouter une lentille focalisant le rayonnement (lentille de Fresnel). De plus, afin de se garantir une réception de tout le rayonnement nécessaire à la cellule PV, une composante de type guide d’onde est ajoutée. A la fois pour l’homogénéisation du rayonnement incident sur la cellule, mais surtout (dans le cas d’Opsun) pour avoir un angle d’acceptance (du rayonnement focalisé) plus large (±3.2° au lieu des ±0,5° à ±1° usuels). Ainsi, le phénomène de réflexion qui se produit à la surface de cet élément optique, lui enlève toute propriété pour laquelle il a été prévu. Le but du projet consiste alors en l’élimination de ces réflexions en utilisant une méthode de production et de déposition d’ARC, qui soit industrialisable. Dans un premier temps, différents moyens de production et de déposition d’ARC déjà existant ont été investigués. Toujours gardant en tête qu’ils doivent pouvoir être appliqués sur des surfaces particulières tout en restant industrialisables par la suite. Nos études nous ont montrées que ces méthodes classiques ne remplissent pas la condition exigée. Il a alors été décidé de rechercher des moyens de production d’ARC basées sur l’utilisation de nanostructures (NS) ou encore des couches à base de nanoparticules (NP). Dans un deuxième temps, une ARC composée de NS (fournit par l’institut Fraunhofer) a été étudiée en condition de laboratoire afin de connaître ses propriétés optiques (transmission, réflexion, diffusion). Ceci fait, la NS a été introduite dans le système HCPV et des mesures de rendement électrique ont alors été réalisées en temps réel. La NS a bien démontré une diminution de la réflexion sur l’ensemble de la longueur d’onde que nous visions (380-1500nm) qui a augmenté de 91,6% (sans AR) à 98,7% , ce qui s’est également traduit en une augmentation du rendement du système HCPV qui étaient de 5%. La NS reste néanmoins encore une méthode de laboratoire et demande beaucoup de conditions particulières afin d’être produite sur les surfaces que nous avons, augmentant considérablement son coût de production (voir en Annexe 8.1). Il a alors été décidé d’investiguer des ARC à base de NP, qui démontrent une meilleure satisfaction des exigences mentionnées précédemment. Ainsi, une troisième étape a consisté en la production et l’utilisation de NP de silice afin de produire des couches AR. En effet, une méthode bien connue de production de particules de silice a été utilisée pour l’obtention des NP, qu’est la méthode sol-gel. Par la suite, la suspension de NP produite a été déposée sur des surfaces de verre et de PMMA en utilisant une méthode de revêtement par immersion (angl. : dip coating (DC)) et leurs propriétés optiques ont été étudiées. Dans le cas présent, nous avons constaté que selon l’épaisseur d’ARC, nous avons une réflexion qui a été diminuée sur l’ensemble de la bande de longueur d’onde observé (380-1500nm). Il est à noter que, bien que l’on ait une certaine diminution sur la bande mentionnée, l’on observe une diminution maximale de la réflexion plus remarquable sur une bande de longueur d’onde spécifique. De plus, si l’on augmente l’épaisseur de l’ARC, il y a un décalage de cette diminution maximale vers les grandes longueurs d’onde. Si nous comparons les bandes de longueurs d’onde où la diminution est maximale (principalement dans le visible, entre 400nm et 800nm), nous pouvons constater que celle-ci augmente de 92,1% (sans AR) jusqu’à 99,2% suivant les épaisseurs d’ARC. Ces couches AR ont ensuite été ajoutés dans le système HCPV. Il a été observé que le rendement des HCPV ne suit pas une augmentation graduelle suivant l’augmentation de l’épaisseur de l’ARC, contrairement à ce qui été attendu. En effet, il atteint un maximum pour une épaisseur particulière (dans ce cas-ci environ 130nm (ARC4 dans Chapitre 3)) avant de diminuer à nouveau. La valeur du rendement maximal mesuré est comparable à ce qui était obtenu précédemment en utilisant les ARC à base de NS (5%). La variation des valeurs de rendement en fonction de l’épaisseur est due aux propriétés des cellules PV (multijonctions (MJ)) qui sont utilisées dans les HCPV (voir Chapitre 3 pour l’explication). Ainsi, dépendamment de l’ARC que nous pouvons produire et de la cellule MJ choisie, il sera possible d’optimiser le rendement des systèmes HCPV, selon leurs conditions d’utilisations. Pour finaliser ce projet, des tests environnementaux (accélérés) ont également été réalisés sur les ARC dans le but de connaître leur résistance mécanique, environnementale (température) ainsi qu’aux rayonnements UV, pour la même période de garantie du HCPV. Les résultats obtenus démontraient une diminution de l’efficacité de l’ARC de l’ordre de 3% en fin de test environnemental et une diminution de 1,5% pour les tests UV sur les petites longueurs d’onde (< 500nm). Ce qui reste bien inférieur aux pertes de rendement de systèmes CPV prévus par les tests standards, qui est de 20% en 25ans. / The subject of this thesis is to focus on the research and development of an antireflective coating (ARC) to coat surfaces with specific structuration (not plane). The surfaces in question are those of optical components used in high concentrating photovoltaic (HCPV) systems. This project has been initiated by Opsun Technologies Inc. after they were experiencing reflection phenomena when the concentrating optical components were added in the system. Indeed, to concentrate light on a photovoltaic (PV) cell, it is essential to use a lens (Fresnel lens). Furthermore, to ensure reception of all the incident wavelengths, a second optical component is added in the HCPV system. It can be assimilated to a waveguide, which is aimed to homogenize the rays. More importantly, it has the property to increase the angular aperture of the received light (±3.2° instead of the usual ±0,5° à ±1°). Thus, adding this second optical component, added a reflection phenomenon due to the extra interface, preventing the component to be used for its initial property. The aim of this project is thus to produce an ARC and coat these surfaces with a specific method, the whole processes must be industrializable at the same time. Hence, a first step was aimed to investigate different existing ARC production and coating methods that can correspond to our required properties. Classical ARC production methods have quickly been considered as non-eligible, therefore new methods have been explored such as nanostructured (NS) ARC or coatings based on nanoparticles (NP). In a second part of the work, a NS (kindly provided by the Fraunhofer institute), was studied in laboratory conditions, to know its optical properties (transmission, reflection, scattering). Afterwards, it was introduced in the HCPV system to get real-time studies of the electrical performance. The NS did show an increase in the optical transmission, on the whole wavelength ranges we are interested in (350-1500nm), which increased from 91,6% (without AR) up to 98,7% , which resulted in a direct increase of the electrical performance of the HCPV that was about 5%. Anyways, the NS is still a method developed and used on a laboratory level and requires a lot of specific production conditions, increasing its final coast (see Appendix 8.1). Thus, it was decided that coatings based on NP needed also to be investigated. A third step of this work was then to produce ARC based on silica NP using a well-known production method, which is the sol-gel process. The obtained NP were then deposed by a homemade dip coating (DC) method on glass and PMMA slides and their optical properties were studied (on a wavelength band varying from 380 to 1500nm). In this case, we also noticed an increase in the transmission, which was totally dependent on the ARC thicknesses. Indeed, a shift of the maximum transmission towards higher wavelengths was observed when the ARC thickness increased. It is important to mention that, even though a certain transmission increase on the considered wavelengths was obtained, a maximum increase on a specific wavelength (in the visible wavelengths, from 400nm to 800nm) band was observed for each ARC (or thickness). Those maximum transmissions of the different ARC, when compared, showed an increase from 92,1% (without AR) up to 99,2% depending on the ARC thickness. When the ARC were added in the HCPV system, the response of the electrical performance did not increase gradually, depending of the increase of the coating thickness, which was our expectation. Instead, it reached a maximum for a specific thickness (around 130nm (ARC4 in Chapitre 3)), before it decreased when higher thicknesses were used. The maximum electrical output value obtained has been found to be comparable to the results obtained using the NS (5%). This phenomenon can be explained by the specific properties of the PV cells (multijunction (MJ), see Chapitre 3 for the explanation). Thus, for a specific PV cell a specific ARC can be produced to optimize the electrical yield of the HCPV system, depending on the conditions they are used in. An ultimate step consisted in the environmental testing (accelerated tests) of our obtained ARC, to have information about their resistance in terms of mechanical deterioration, temperature and UV variation, for the same lifetime warranty of CPV systems. The results obtained showed a decrease of the ARC efficiency that was about 3% at the end of the temperature tests and a 1,5% variation of the transmission was observed after the UV tests for small wavelengths (< 500nm). This is relatively low compared to the warranty of CPV system efficiencies that are expected to decrease about 20% in 25 year lifetime.

Depuis 2004, l'Université de Paris Sud a établi une collaboration avec le département de Génie Électrique de la Faculté d'ingénierie de l'Université du Laos (UNL). La thématique de recherche concerne le pilotage de l'électronique de puissance pour la gestion de sources d'énergie renouvelable pour le Laos. Ainsi en 2009, le Gouvernement français a financé une bourse de thèse pour le développement d'un outil de pré-dimensionnement de la production électrique renouvelable pour les villages isolés au Laos. En effet, le réseau de transport et de distribution du Laos est déjà en tension compte tenu de l'explosion de la consommation dans les zones urbaines. Son extension aux zones rurales notamment dans les zones montagneuses représente un coût d'investissement beaucoup trop élevé. Par contre le pays bénéficie de ressources naturelles (hydrauliques, solaire et agricoles) dont l'exploitation judicieuse peut permettre le développement de la filière des énergies renouvelables. La production d'énergie électrique décentralisée (fermes solaires par exemple) nécessite une évaluation des ressources locales et un dimensionnement optimal de l'ensemble des constituants (sources, dispositifs de stockage, convertisseurs, etc.) et de l'architecture du mini ou micro réseau autonome.Cette thèse est organisée en 3 chapitres :Le chapitre 1 présente dans un premier temps le travail qui permit d'identifier les besoins et les ressources effectivement disponibles au Laos. Pour cela, un séjour de plusieurs semaines dans des zones rurales reculées du Nord-Ouest du Laos a été effectué. Cela a permis d'obtenir un profil de consommation standard, d'identifier les ressources et de relever les données des réseaux rudimentaires existants (puissance et configuration). Une importante recherche bibliographique sur les outils logiciels existants a ensuite été réalisée. Cela a permis de dimensionner et de simuler ces systèmes autonomes. Le chapitre 2 présente les limitations de ces outils de conception (absence de flexibilité dans les modèles utilisés et algorithmes d'optimisation trop contraints) et le développement dans l'environnement de Matlab-Simulink d'une bibliothèque de modèles des constituants du système d'énergie autonome. Les modèles sont réalisés pour faciliter un dimensionnement optimal du système selon des critères de coût, de disponibilité et de fiabilité. Un important travail d'étude bibliographique sur les architectures de réseaux a été réalisé et combiné à une synthèse des ressources et des besoins des milieux ruraux au Laos. Le chapitre 3 présente deux exemples de dimensionnement de systèmes de production d'électricité pour des sites isolés au Laos à partir d'énergie renouvelables. Le cahier des charges correspond à un village isolé de 50 maisons pour 130 habitants. Le critère économique est fondamental dans cette étude où l'optimisation cherche à réduire les coûts des constituants tout en satisfaisant les besoins en puissances des villageois. Différentes optimisations continue et hybrides (continu et entier) sont conduites en tenant compte de contraintes sur les sources. Des indicateurs de performance sont ainsi utilisés: "Loss of Power Supply Probability, Forced Outage Rates, Annualized Cost of System, Levelized Cost of Energy, etc.". / Since 2004, a collaboration between Université Paris Sud of France and the Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering, National University of Laos (NUOL) has been carried out on the control of power electronics for the management of renewable energies source in Laos. Therefore in 2009, the French Government has funded a PhD thesis on the development of a designing tool for the early-sizing of renewable electricity production for isolated villages in Laos. This thesis report is organized in three chapters:Chapter I presents a short review of the status and development plans for the electrification of Laos. Then, based on a two-month field study in Northern Laos, analyses of energy consumptions of households in isolated villages and available renewable sources, using small scale hydro power plants and solar systems among others, are presented. Afterward, micro-grid configurations and technologies adapted to Laos are discussed. Obtained results are used in the next chapters as specifications for the designing tool.Chapter II focuses on software tools for system design and system modeling. First, a short review of the existing early-sizing tools for renewable energy sources for isolated villages is presented. But an analysis of evaluated software's such as LEAP, HOMER, HOGA, etc. shows that they are not opened enough to facilitate the development of a flexible and scalable designing too. Thus, Matlab/Simulink software is chosen as an open and highly adaptable architecture research tool. Then, specific models for renewable sources, storage devices, grid configuration are developed in order to facilitate the optimization procedures of an off-grid system design. After that, a short review of the existing optimization algorithms, available in Matlab, is carried out. Then, a paralleled mono-objective Genetic Algorithm is configured and applied in the next chapter.Chapter III presents several designs of isolated villages in Laos, using renewable energies. The specifications focus on isolated villages of about 50 houses for 120 inhabitants. The economic aspect is a key point in order to minimize costs of designed system while satisfying daily load demands of the village. For this task, locally available natural resources such as rivers and solar radiation are considered as energy sources. Various optimizations using continuous and discrete optimization algorithms are conducted taken into account the sources constraints and a short review of the existing hybrid system performance indicators is carried out, such as: Loss of Power Supply Probability, Forced outage rates, Annualized Cost of System, Levelized Cost of Energy, etc. Finally, the results obtained in this thesis show that renewable sources can be used at a reasonable price for off-grid electrification of isolated villages in Laos. Moreover, the developed designing tool can easily be adapted to new models of renewable sources and storage devices, which is the main interest of a designing tool for the early-sizing of off-grid renewable electricity production for isolated villages in Laos.

La situation compromettante de l'environnement due à la pollution, et les coûts élevés des combustibles fossiles ont engagé des nouvelles politiques et réglementations et ont fortement incité l’augmentation de l’utilisation de nouvelles sources d'énergie renouvelables. De nombreux pays dans le monde ont augmenté de façon importante le développement de ces sources d'énergie. Deux des systèmes d'énergies renouvelables les plus couramment utilisés sont les systèmes éoliens (SE) et les systèmes photovoltaïques (SP). SE convertissent l'énergie du vent en énergie électrique au moyen d'un processus électromécanique et SP convertissent directement l'énergie solaire en énergie électrique au moyen d'un processus semi-conducteur. Ces systèmes présentent de nombreux défis qui doivent être résolus afin de gagner du terrain sur les systèmes d'énergies traditionnelles. L'un de ces défis est d'augmenter l'efficacité du système avec la commande des éléments de puissance. Afin d'atteindre cet objectif, il est nécessaire de mieux comprendre le comportement dynamique de ces systèmes et de développer des nouveaux modèles mathématiques et des nouvelles techniques de commande. Ces techniques nécessitent souvent des informations du système qui ne sont pas disponibles --- ou sont trop chères si on devait les mesurer. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de créer des algorithmes qui puissent estimer cette information, cependant, ce n'est pas une tâche facile, car les signaux des sources d'énergie dans SE et SP (c.-à-d. la vitesse du vent, rayonnement solaire, température) entrent dans les modèles mathématiques par une relation non linéaire. Ces algorithmes doivent pouvoir estimer ces signaux --- ou les signaux qui dépendent d’eux--- avec une bonne précision. Aussi, il est nécessaire de concevoir des lois de commande qui opèrent les systèmes à leur point maximum de puissance. Dans ce travail, nous proposons des nouveaux algorithmes d'estimation et des lois de commande qui sont liés à l'augmentation de l'efficacité énergétique dans SE et SP. Des travaux antérieurs liés à l'estimation des signaux mentionnés, les considéraient comme constants. Dans cette thèse, les algorithmes d'estimation proposés considèrent l'état variable des ces signaux. Dans toutes ces nouvelles propositions, la stabilité asymptotique est prouvée en utilisant les théories de Lyapunov. Les lois de commande sont calculées en utilisant les modèles non linéaires des systèmes. En outre, certaines des ces solutions sont étendues au cas général, qui peut être utilisé sur une large classe des systèmes non linéaires. Le premier, est un estimateur de paramètres pour les systèmes non linéaires. Il permet d'estimer les paramètres non linéaires variant dans le temps. La deuxième proposition est la conception d’un schéma pour une classe de systèmes non linéaires adaptatifs qui permet de compenser les incertitudes et les perturbations qui satisfont à la "condition de correspondance". / The compromising situation of the environment due to pollution, and the high costs of the fossil fuels have originated new policies and regulations that have stimulating the interest on alternative energy sources. Many countries around the world have increased in an important way the penetration of these energy sources. Two of the most widely used renewable energy systems are the wind turbines systems (WTS) and the photovoltaic systems (PVS). WTS convert wind energy in electric energy by means of an electromechanical process and PVS convert solar energy directly in electric energy by means of a semiconductive process. These systems show many challenges that need to be solved in order to gain ground to the traditional energy systems. One of these challenges is increase the overall system efficiency by controlling the power conditioning elements. In order to achieve this, is necessary to better understand the dynamic behavior of these systems and develop new mathematical models and new control techniques. These techniques often require system information that is not possible ---or is too expensive--- measure. In order to solve this problem, is necessary to create algorithms that are able to estimate this information, however, this is not an easy task, because the signals of the energy sources in WTS and PVS (i.e., wind speed, irradiance, temperature) enter in the mathematical models in a nonlinear relation. These algorithms have to be able to estimate these signals ---or the signals that depend on them--- with good precision. Also, it is necessary to design control laws that operate the systems at their maximum power point. In this work, we propose novel estimation algorithms and control laws that are related with the increase of the energetic efficiency in WTS and PVS. Previous works related with estimation of the mentioned signals considered them as constants. In this thesis, the proposed estimation algorithms consider the time-varying condition of these signals. In all of these novel propositions, uniform asymptotic stability is proved using Lyapunov theories. The control laws are derived using the overall nonlinear models of the systems. In addition, some of these solutions are extended to the general case, which can be used on a large-class of nonlinear systems. The first one, is a novel parameter estimator for nonlinear systems. It allows to estimate time-varying nonlinear parameters. The second general proposition is a framework for a class of adaptive nonlinear systems that allows to compensate for uncertainties and perturbations that satisfy the matching condition.

Dans l'optique de mieux dimensionner, sur l'ensemble de leur cycle de vie, les systèmes photovoltaïques autonomes et hybrides, les travaux menés dans le cadre de cette thèse ont concerné deux principales voies. Tout d'abord, l'action sur le profil de consommation, permettant de se rapprocher du comportement solaire idéal du consommateur, a été étudiée. A même service énergétique rendu au consommateur, des gains importants, que ce soit en termes de coûts économiques ou énergétiques sur cycle de vie ont pu être mis en avant notamment par la minimisation du recours au stockage. Parallèlement, une technologie d'accumulateurs Li-ion, innovante dans le cadre de ces systèmes, a été évaluée sur la base du coût énergétique primaire global du système sur son cycle de vie, donc incluant le vieillissement de ses composants. Les résultats ont montré qu'en raison d'une meilleure durée de vie et de plus faibles pertes énergétiques, cette technologie fait figure à moyen terme de concurrent sérieux de la technologie Plomb-Acide universellement utilisée à l'heure actuelle. Ces travaux concernant des systèmes à petites échelles préfigurent ce qu'il sera possible de faire à plus grande échelle dans les « réseaux intelligents » qui permettront d'exploiter plus massivement les ressources renouvelables comme le soleil et le vent, très largement disponibles.

Les problématiques environnementales (conservation de l’environnement et lutte contre la pollution), économiques (demande d’énergie de plus en plus forte pour un développement socio-économique) et politiques (démocratisation de l’accès à l’énergie) mondiales actuelles imposent un changement de comportement en matière de consommation énergétiques afin de ne pas compromettre la qualité de vie des générations futures. A cette fin, l’utilisation des énergies renouvelables, dont l’énergie solaire photovoltaïque, se présente comme une des solutions les plus prometteuses. Néanmoins, du fait de leurs intermittences, il peut s’avérer nécessaire de recourir à des dispositifs de stockage de l’énergie. Ceux-ci sont généralement utilisés dans le cas des sites isolés du réseau électrique mais de plus en plus de travaux de recherches portent sur l’intégration d'unités de stockage dans les systèmes photovoltaïques connectés aux réseaux électriques (« intelligents »). La mise en œuvre des moyens de stockage ainsi permet d’optimiser la production et d’améliorer la rentabilité de l’électricité produite tout en permettant de lisser les appels en puissances de pointe du réseau. Pour les endroits difficilement accessibles, le stockage de l’électricité permet d’assurer une autonomie énergétique en ajustant la production aux besoins de consommation et inversement. Ceci entraine un processus continu de charges et décharges des unités de stockage qui peut modifier profondément les propriétés physico-chimiques et électriques des systèmes de stockage avec comme conséquence la réduction de la durée de fonctionnement de l’installation. Généralement, les caractéristiques techniques des unités de stockage sont déterminées par les constructeurs dans des conditions idéales de fonctionnement, notamment à courant et température constants. Aussi, lorsque le fonctionnement a lieu dans des conditions climatiques austères, telles que celles des pays du Sahel, la durée de vie réelle de ces systèmes peut s’avérer très différente des prévisions se basant sur les données du constructeur. Ces pays, grands gisements solaires, sont caractérisés par des sols arides et de grandes étendues désertiques. Il y fait très chaud et les populations sont clairsemées en petits hameaux, ce qui fait des systèmes photovoltaïques autonomes les meilleurs candidats pour satisfaire les besoins énergétiques. Pour un dimensionnement approprié et une mise en œuvre efficace, il est important de connaître le comportement des constituants du système dans les conditions climatiques des sites cibles. Il y a lieu en effet de connaître les impacts de celles-ci sur la durée de vie et les caractéristiques des composants, de déterminer le besoin éventuel de dispositifs de conditionnement et d’envisager les études scientifiques et techniques de leur mise en œuvre. Les travaux de recherche envisagés ont pour but de répondre à ces multiples questions en s'appuyant sur une plate-forme expérimentale et des modèles, et de produire à termes des outils informatiques d’aide à la décision / Environmental issues (environmental conservation and the fight against pollution), economic (energy demand increasingly high for socio-economic development) and political (democratic access to energy) current global impose a change in energy consumption-related behavior in order not to compromise the quality of life of future generations. To this end, the use of renewable energies, including solar PV, is as one of the most promising solutions. However, because of their intermittent, it may be necessary to use in energy storage devices. These are generally used in the case of isolated sites of the electricity grid but more and more research work focuses on the integration of storage units in photovoltaic systems connected to electricity networks ( "smart"). The implementation of the storage means and to optimize production and improve the profitability of electricity while enabling smooth network calls in peak powers.For hard to reach areas, the electricity storage ensures energy independence by adjusting production to consumer needs and vice versa. This causes a continuous process of charging and discharging of the storage units that can profoundly change the physicochemical properties and electrical storage systems with consequent reduction in operating life of the installation. Generally, the technical characteristics of storage units are determined by manufacturers under ideal operating conditions, including current and constant temperature. Also, when the operation takes place in austere weather conditions, such as those of the Sahel, the real life of these systems can be very different predictions based on the manufacturer. These countries, large solar fields, are characterized by arid soils and large stretches of desert very hot and the people he makes are scattered in small hamlets, making stand-alone photovoltaic systems the best candidates to meet energy needs. For proper design and effective implementation, it is important to know the behavior of the system components in the climatic conditions of the target sites. It must indeed know the impact of these on the life and characteristics of components, to determine the possible need for conditioning devices and consider the scientific and technical studies of their implementation. The proposed research aim to answer these many questions based on an experimental platform and models, and produce terms of IT tools for decision support

L'intégration actuelle des systèmes photovoltaïques dans les systèmes d'alimentation conventionnels a montré une croissance importante, ce qui a favorisé l'expansion rapide des micro-réseaux du terme anglais microgrid. Cette intégration a cependant augmenté la complexité du système d'alimentation qui a conduit à de nouveaux défis de recherche. Certains de ces défis de recherche encouragent le développement d'approches de modélisation innovantes en temps réel capables de faire face à cette complexité croissante. Dans ce contexte, une méthodologie innovante est proposée et basée sur les composants pour la modélisation et l'émulation de systèmes photovoltaïques en temps réel integers aux microgrids. L'approche de modélisation proposée peut utiliser le langage de modélisation des systèmes (SysML) pour décrire la structure et le comportement des systèmes photovoltaïques intégrés en tenant compte de leurs caractéristiques multidisciplinaires. De plus, cette étude présente le cadre de spécification de haut niveau des systèmes embarqués (HiLeS) pour transformer les modèles SysML développés en code source destinés à configurer le matériel intégré. Cette caractéristique de la generation automatique de code permet de profiter de dispositifs avec un haut degré d'adaptabilité et de performances de traitement. Cette méthodologie basée sur HiLeS et SysML est axée sur l'étude des systems photovoltaïques partiellement ombragés ainsi que des architectures flexibles en électronique de puissance en raison de leur influence sur les microgrids actuels. En outre, cette perspective de recherche est utilisée pour évaluer les stratégies de contrôle et de supervision dans les conditions normales et de défauts. Ce travail représente la première étape pour développer une approche innovante en temps réel pour modéliser et émuler des systèmes photovoltaïques complexes en tenant compte des propriétés de modularité, de haut degré d'évolutivité et des conditions de travail non uniformes. Les résultats expérimentaux et analytiques valident la méthodologie proposée. / Nowadays, the integration of photovoltaic systems into electrical grids is encouraging the expansion of microgrids. However, this integration has also increased the power system complexity leading to new research challenges. Some of these research challenges require the development of innovative modeling approaches able to deal with this increasing complexity. Therefore, this thesis is intended to contribute with an innovative methodology component-based for modeling and emulating in real-time photovoltaic systems integrated to microgrids. The proposed modeling approach uses the Systems Modeling Language (SysML) to describe the structure and behavior of integrated photovoltaic systems. In addition, this study presents the High Level Specification of Embedded Systems (HiLeS) to transform automatically the developed SysML models in embedded code and Petri nets. These characteristics of automatic code generation and design based on Petri nets allow taking advantage of FPGAs for application of real-time emulation of photovoltaic systems. This dissertation is focused on partially shaded photovoltaic systems and flexible power electronics architectures because of their relevant influence on current microgrids. Furthermore, this research perspective is intended to evaluate control and supervision strategies in normal and fault conditions. This work represents the first step to develop an innovative real-time approach to model and emulate complex photovoltaic systems considering properties of modularity, high degree of scalability, and non-uniform working conditions. Finally, experimental and analytical results validate the proposed methodology.

En raison de la demande croissante d’énergie dans le monde et des nombreux dommages causés par l’utilisation des énergies fossiles, la contribution des énergies renouvelables a augmenté de manière significative dans le mix énergétique global dans le but de progresser vers un développement plus durable. Dans ce contexte, ce travail vise à l’élaboration d’une méthodologie générale pour la conception de systèmes photovoltaïques, basée sur les principes d’écoconception, en tenant compte simultanément des considérations technico-économiques et environnementales. Afin d’évaluer la performance environnementale des systèmes PV, une technique d’évaluation environnementale basée sur l’Analyse du Cycle de Vie (ACV) a été utilisée. Le modèle environnemental a été couplé d’une manière satisfaisante avec le modèle de conception d’un système PV connecté au réseau pour obtenir un modèle global, apte à un traitement par optimisation. Le modèle de conception du système PV résultant a été développé en faisant intervenir l’estimation du rayonnement solaire reçu dans une zone géographique concernée, le calcul de la quantité annuelle d’énergie produite à partir du rayonnement solaire reçu, les caractéristiques des différents composants et l’évaluation des critères technico-économiques à travers le temps de retour énergétique et le temps de retour sur investissement. Le modèle a ensuite été intégré dans une boucle d’optimisation multi-objectif externe basée sur une variante de l’algorithme génétique NSGA-II. Un ensemble de solutions du Pareto a été généré représentant le compromis optimal entre les différents objectifs considérés dans l’analyse. Une méthode basée sur une Analyse en Composantes Principales (ACP) est appliquée pour détecter et enlever les objectifs redondants de l’analyse sans perturber les caractéristiques principales de l’espace des solutions. Enfin, un outil d’aide à la décision basé sur M- TOPSIS a été utilisé pour sélectionner l’option qui offre un meilleur compromis entre toutes les fonctions objectifs considérées et étudiées. Bien que les modules photovoltaïques à base de silicium cristallin (c-Si) ont une meilleure performance vis-à-vis de la production d’énergie, les résultats ont montré que leur impact environnement est le plus élevé des filières technologiques de production de panneaux. Les technologies en « couches minces » présentent quant à elles le meilleur compromis dans tous les scénarios étudiés. Une attention particulière a été accordée aux processus de recyclage des modules PV, en dépit du peu d’informations disponibles pour toutes les technologies évaluées. La cause majeure de ce manque d’information est la durée de vie relativement élevée des modules photovoltaïques. Les données relatives aux procédés de recyclage pour les technologies basées sur CdTe et m-Si sont introduites dans la procédure d’optimisation par l’écoconception. En tenant compte de la production d’énergie et du temps de retour sur énergie comme critères d’optimisation, l’avantage de la gestion de fin de vie des modules PV a été confirmé. Une étude économique de la stratégie de recyclage doit être considérée et étudiée afin d’avoir une vision plus globale pour la prise de décision. / Because of the increasing demand for the provision of energy worldwide and the numerous damages caused by a major use of fossil sources, the contribution of renewable energies has been increasing significantly in the global energy mix with the aim at moving towards a more sustainable development. In this context, this work aims at the development of a general methodology for designing PV systems based on ecodesign principles and taking into account simultaneously both techno-economic and environmental considerations. In order to evaluate the environmental performance of PV systems, an environmental assessment technique was used based on Life Cycle Assessment (LCA). The environmental model was successfully coupled with the design stage model of a PV grid-connected system (PVGCS). The PVGCS design model was then developed involving the estimation of solar radiation received in a specific geographic location, the calculation of the annual energy generated from the solar radiation received, the characteristics of the different components and the evaluation of the techno-economic criteria through Energy PayBack Time (EPBT) and PayBack Time (PBT). The performance model was then embedded in an outer multi-objective genetic algorithm optimization loop based on a variant of NSGA-II. A set of Pareto solutions was generated representing the optimal trade-off between the objectives considered in the analysis. A multi-variable statistical method (i.e., Principal Componet Analysis, PCA) was then applied to detect and omit redundant objectives that could be left out of the analysis without disturbing the main features of the solution space. Finally, a decision-making tool based on M-TOPSIS was used to select the alternative that provided a better compromise among all the objective functions that have been investigated. The results showed that while the PV modules based on c-Si have a better performance in energy generation, the environmental aspect is what makes them fall to the last positions. TF PV modules present the best trade-off in all scenarios under consideration. A special attention was paid to recycling process of PV module even if there is not yet enough information currently available for all the technologies evaluated. The main cause of this lack of information is the lifetime of PV modules. The data relative to the recycling processes for m-Si and CdTe PV technologies were introduced in the optimization procedure for ecodesign. By considering energy production and EPBT as optimization criteria into a bi-objective optimization cases, the importance of the benefits of PV modules end-of-life management was confirmed. An economic study of the recycling strategy must be investigated in order to have a more comprehensive view for decision making.