Στις αρχές του 20ου αιώνα, με καταλυτική εξέλιξη την ανακάλυψη των μεγάλων κοιτασμάτων πετρελαίου ο κόσμος στράφηκε αποφασιστικά στη χρήση μη ανανεώσιμων πηγών, κυρίως άνθρακα και υδρογονανθράκων (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, κάρβουνο). Αυτή η λύση εξασφάλιζε για μεγάλο χρονικό διάστημα μια προσιτή ανάκτηση και μετατροπή αυτών των πηγών σε ηλεκτρική και θερμική ενέργεια. Οι ορυκτές καύσιμες ύλες χρειάζονται εκατοντάδες χρόνια να δημιουργηθούν, καταναλώνονται όμως πιο γρήγορα από ότι δημιουργούνται. Γι’ αυτό το λόγο θεωρούνται μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, δηλαδή δεν αντικαθίστανται τόσο γρήγορα όσο τις χρησιμοποιούμε.Ετσι μπορούν να εξαντληθούν κάποια στιγμή στο μέλλον. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας είναι πηγές τα αποθέματα των οποίων ανανεώνονται φυσικά, και οι οποίες θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες.Η αδυναμία επίσης ύπαρξης δικτύου σε απομονωμένες και μικρου πληθυσμού περιοχές, σε συνδυασμό με την οικονομικά ασύμφορη λύση της κατασκευής ηλεκτρικού δικτύου μεταφοράς, δίνει το έρεισμα στην σχεδίαση και υλοποίηση ηλεκτρικά αυτόνομων κατοικιών ή και ολόκληρων οικισμών (δηλαδή μη συνδεδεμένων με το δίκτυο) μέσω της εκμετάλλευσης διαφόρων μορφων ΑΠΕ Λογω της στοχαστικής τους φύσης οι ΑΠΕ αδυνατούν να καλύψουν από μόνες τους τους περισσότερους τύπους του ηλεκτρικού φορτίου. Ζητήματα όπως η μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας και η αποθηκευσή της, ανακύπτουν λόγω της έλλειψης διαθεσιμότητας των ΑΠΕ σε εικοσιτετράωρη βάση. Αυτοί οι παράγοντες έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη των υβριδικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας.Τα υβριδικά συστήματα που συνδιάζουν δύο ή περισσότερες μορφές ενέργειας έχουν αποδειχθεί σαν αποτελεσματικό μέσο για τημ τροφοδότηση ηλεκτρικά αυτόνομων κατοικιών. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η δυνατότητα διαφόρων υβριδικών συστημάτων να καλύψουν το ηλεκτρικό φορτίο μιας μη διασυνδεδεμένης στο εθνικό δίκτυο κοινότητας αποτελούμενης από δέκα κατοικιες. Ως περιοχή της μελέτης έχει επιλεχθεί η απομακρυσμένη περιοχή Γαιδουρόμαντρα στο νησί της Κύθνου. Οι εγκαταστάσεις είναι κατοικημένες μόνο κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού ώστε να μην υπάρχει καμία απαίτηση για παραγωγή θερμότητας.Τα υβριδικά συστήματα που εξετάζονται έχουν όλα την συνέργεια αποθηκευτικού συστήματος μπαταριών και είναι τα παρακάτω: • Φωτοβολταϊκά- Ντηζελογεννήτρια • Φωτοβολταϊκά- Κυψέλες Καυσίμου(ΚΚ) • Ανεμογεννήτρια (Α/Γ)- Ντηζελογεννήτρια • Φωτοβολταϊκά- Ανεμογεννήτρια (Α/Γ) Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται εισαγωγή στις ΑΠΕ και αναφέρονται κάποια γενικά στοιχεία σχετικά με την κατάσταση στην χώρα μας καθώς και τη συνεισφορά κάθε πηγής σε παγκόσμιο επίπεδο. Στα Κεφάλαια 2, 3, 4 γίνεται μια παρουσίαση των ΑΠΕ που χρησιμοποιούνται στα υβριδικά συστήματα. Αρχικά γίνεται μια ιστορική αναδρομή σε κάθε μορφή ενέργειας και έπειτα γίνεται μια εκτεταμένη ανάλυση σε κάθε τεχνολογία παραγωγής ενέργειας, κυρίως στα χαρακτηριστικά και τη λειτουργία της. Τέλος αναλύεται η παρούσα κατάσταση αυτής της τεχνολογίας σε παγκόσμια κλίμακα καθώς και σε ελληνικό επίπεδο. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται η εισαγωγή στα υβριδικά συστήματα παραγωγής ενέργειας. Αναλύονται οι λόγοι χρήσης του υβριδικού συστήματος γενικά καθώς και η υπάρχουσα κατάσταση στην Ελλάδα. Στην συνέχεια στο Κεφάλαιο 6 γίνεται εκτεταμένη περιγραφή του προγραμματος HOMER το οποίο εκτελεί τις προσομοιώσεις των υβριδικών συστημάτων παρουσιάζοντας τον βέλτιστο συνδυασμό τους τεχνοοικονομικά. Αναφέρονται λεπτομερώς οι τρεις λειτουργίες που πραγματοποεί (εξομοίωση, βελτιστοποίηση, ανάλυση ευαισθησίας) όπως επίσης και τα οικονομικά και τα ηλεκτρικά μεγέθη που αποτυπώνονται στα αποτελέσματα του προγράμματος με απώτερο σκοπό την βαθύτερη κατανόηση τους. Στο τελικό στάδιο της Διπλωματικής εργασίας και συγκεκριμένα στο Κεφάλαιο 7 αφού γίνεται μια αρχική αναφόρα στον τόπο όπου πραγματοποιείται η μελέτη καθώς και στην ενεργειακή κατανάλωση των κατοίκων της περιοχής, έπειτα καταγράφονται τα τεχνολογικά στοχεία των εξαρτημάτων που χρησιμοποιήθηκαν καθώς και οι μεταβλητές που εισάχθηκαν στο HOMER. Ακολουθεί η εκτεταμένη περιγραφή του κάθε υβριδικού συστήματος με σχηματικές απεικονίσεις και ερμηνεία των καμπυλών που προκύπτουν από την προσομοίωση. Τέλος στο Κεφάλαιο 8 πραγματοποιείται σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν με στόχο την ανεύρεση του βέλτιστου συνδυασμού με βασικά κριτήρια το συνολικό κόστος της επένδυσης, το πλεόνασμα ηλεκτρικής ενέργειας, την ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε KWh και τις ποσότητες ρυπογόνων ουσιών που εκπέμπονται στο περιβάλλον. Το συμπέρασμα που προκύπτει είναι το μέλλον θα ανήκει στην τεχνολογία του υδρογόνου, αφού ξεπεραστούν βέβαια κάποια εμπόδια, οικονομικής κυρίως φύσεως. / Aim of this project is to examine the capability of various hybrid systems covering the electric load of a community, which is non-connected to the national grid and consists of ten residences. The area of the study is the remote region Gaidoyromantra which is located in the island of Kythnos. The houses are inhabited only during summertime, so that any requirement for heat is prerequisite. All the hybrid systems that are examined have the synergy of stocking system of batteries and are the following: • PV-Diesel Generator • PV-Fuel Cells • Wind Turbines-Diesel Generator • PV- Wind Turbines In Chapter 1, the RES are introduced and reported some general elements with regard to the situation in our country as well as the contribution of each source in world level. In Chapters 2, 3, 4 are presented the RES that are used in the hybrid systems. Firstly, historical reference to each source of energy and then extensive analysis of each technology are given. Finally, the present situation of each technology is analyzed in world scale as well as in Greek level. In Chapter 5 the energy production hybrid systems are introduced. In general, the reasons of hybrid systems use are analyzed as well as the present situation in Greece. Then, in Chapter 6, the Micro power Optimization Model HOMER is described extensively. This computer model presents the optimum configuration by taking for granted the Total Net Present Cost (NPC) of each system. Homer also materializes three basic operations (simulation, optimization and sensitivity analysis) which are obvious in this project. In the final stage of this project and more specifically in Chapter 7 is given the location of the study as well as the load which is going to be covered by the hybrid system. Afterwards, a description of technological elements takes place and the variables that are used by HOMER are reported too. Extensive description of each hybrid system with schematic depictions and interpretation of curves that results from the simulation follows. Finally in Chapter 8 all the results are compared together, aiming to find the optimum configuration with basic criteria the total cost of investment, the surplus of electric energy, the annual production of electric energy in KWh and the quantities of pollutant substances that are emitted in the environment. The conclusion that derives is that the future belongs to the technology of Hydrogen.

Το ενεργειακό ζήτημα είναι ίσως ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα του 21ου αιώνα. Η έως τώρα παραγωγή ενέργειας γινόταν αποκλειστικά από την εκμετάλλευση των ορυκτών πόρων της φύσης (γαιάνθαρακες, πετρέλαιο). Είχαμε στραφεί σε αυτό το μοντέλο παραγωγής ενέργειας λόγω του χαμηλού κόστους παραγωγής. Οι ορυκτές καύσιμες ύλες χρειάζονται εκατοντάδες χρόνια να δημιουργηθούν, καθιστώντας της ουσιαστικά μη ανανεώσιμες αφού ο ρυθμός κατανάλωσης τους είναι πολύ μεγάλος. Με την πάροδο του χρόνου όμως παρατηρείται η συνεχής αύξηση της ζήτησης ενέργειας, γεγονός που σε συνάρτηση με την μείωση των αποθεμάτων ορυκτών πόρων μας στρέγει στην παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Έτσι τα τελευταία χρόνια έχουμε την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών για την εκμετάλλευση των Α.Π.Ε. και την εξέλιξη πολλών παλιών με στόχο την μείωση του κόστους παραγωγής και την αύξηση της αποδοτικότητας τους. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας είναι πηγές τα αποθέματα των οποίων ανανεώνονται φυσικά , και οι οποίες θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες αδυναμία επίσης ύπαρξης δικτύου σε απομονωμένες και μικρού πληθυσμού περιοχές , σε συνδυασμό με την οικονομικά ασύμφορη λύση της κατασκευής ηλεκτρικού δικτύου μεταφοράς ,δίνει το έρεισμα στην σχεδίαση και υλοποίηση ηλεκτρικά αυτόνομων κατοικιών ή και ολόκληρων οικισμών ( δηλαδή μη συνδεδεμένων με το δίκτυο) μέσω της εκμετάλλευσης διαφόρων μορφών ΑΠΕ. Λόγω της στοχαστικής τους φύσης οι ΑΠΕ αδυνατούν να καλύψουν από μόνες τους περισσότερους τύπους του ηλεκτρικού φορτίου. Ζητήματα όπως η μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας και η αποθήκευση της , ανακύπτουν λόγω της έλλειψης διαθεσιμότητας των ΑΠΕ σε εικοσιτετράωρη βάση. Αυτοί οι παράγοντες έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη των υβριδικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Τα υβριδικά συστήματα που συνδυάζουν δύο ή περισσότερες μορφές ενέργειας έχουν αποδειχθεί σαν αποτελεσματικό μέσο για τη τροφοδότηση ηλεκτρικά αυτόνομων κατοικιών Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα μελετηθεί η ανάπτυξη αυτόνομών υβριδικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας για την τροφοδότηση μιας απομακρυσμένης νησιωτικής περιοχής , με σκοπό την ανεύρεση του πιο συμφέροντος συνδυασμού πηγών ενέργειας με κριτήρια το κόστος την παραγωγή ενέργειας και την μόλυνση του περιβάλλοντος. Η μελέτη έγινε για τέσσερις διαφορετικούς συνδυασμούς υβριδικών συστημάτων που στηρίζονται στη χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ηλιακή, αιολική και υδρογόνου) σε συνδυασμό με κινητήρα πετρελαίου. Οι συνδυασμοί είναι οι εξής: Photovoltaic - Diesel system Wind Turbine - Diesel system Wind Turbine - Photovoltaic system Photovoltaic - Fuel Cell system Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στις Α.Π.Ε και αναφέρονται κάποια γενικά στοιχεία που περιγράφουν τη κατάσταση στη χώρα μας. Ακόμη γίνεται μια εισαγωγή στα υβριδικά συστήματα παραγωγής ενέργειας. Αναλύονται οι λόγοι χρήσης του υβριδικού συστήματος γενικά καθώς και η υπάρχουσα κατάσταση στην Ελλάδα. Στα Κεφάλαια 2,3,4,5 περιγράφονται οι τεχνολογίες που εκμεταλλεύονται Α.Π.Ε. Οι τεχνολογίες αυτές είναι τα φωτοβολταικά, ανεμογεννήτριες, Fuel Cell και συσσωρευτές αποθήκευσης. Περιγράφεται ο τρόπος λειτουργίας τους και παραθέτονται χαρακτηριστικά τους στοιχεία. Στην συνέχεια στο Κεφάλαιο 6 γίνεται εκτεταμένη περιγραφή του προγράμματος HOMER το οποίο εκτελεί τις προσομοιώσεις των υβριδικών συστημάτων παρουσιάζοντας τον βέλτιστο συνδυασμό τους τεχνοοικονομικά. Αναφέρονται λεπτομερώς οι τρεις λειτουργίες που πραγματοποιεί (εξομοίωση, βελτιστοποίηση, ανάλυση ευαισθησίας) όπως επίσης και τα οικονομικά και τα ηλεκτρικά μεγέθη που αποτυπώνονται στα αποτελέσματα του προγράμματος με απώτερο σκοπό την βαθύτερη κατανόηση τους . Στο τελικό στάδιο της Διπλωματικής εργασίας και συγκεκριμένα στο Κεφάλαιο 7 αφού γίνεται μια αρχική αναφορά στον τόπο όπου πραγματοποιείται η μελέτη καθώς και στην ενεργειακή κατανάλωση των κατοίκων της περιοχής , έπειτα καταγράφονται τα τεχνολογικά στοιχεία των εξαρτημάτων που χρησιμοποιήθηκαν καθώς και οι μεταβλητές που εισάχθηκαν στο HOMER. Ακολουθεί η εκτεταμένη περιγραφή του κάθε υβριδικού συστήματος με σχηματικές απεικονίσεις και ερμηνεία των καμπυλών που προκύπτουν από τη προσομοίωση. Τέλος στο Κεφάλαιο 8 πραγματοποιείται σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν με στόχο την ανεύρεση του βέλτιστου συνδιασμού με βασικά κριτήρια το συνολικό κόστος της επένδυσης, το πλεόνασμα ηλεκτρικής ενέργειας, την ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε KWh και τις ποσότητες ρυπογόνων ουσιών που εκπέμπονται στο περιβάλλον. Το συμπέρασμα που προκύπτει είναι το μέλλον θα ανήκει στην τεχνολογία του Υδρογόνου, αφου ξεπεραστούν βέβαια κάποια εμπόδια οικονομικής κυρίως φύσεως. / The aim of the project is to examine how a hybrid system with renewable energy sources can meet the electric load demands of an island community. The system is not connected to grid. The area of study is Menites which is located in Andros island. The community is inhabited continuously all the year but in the summer we have excessive load demands because of the touristic activity. The hybrid systems we simulate, have all the synergy of stocking battaries, are the following: Photovoltaic - Diesel system Wind Turbine - Diesel system Wind Turbine - Photovoltaic system Photovoltaic - Fuel Cell system In Chapter 1 the renewable energy systems are introduced and reported some general elements with regard to the situation in our country. the energy production hybrid systems are also introduced here. In general, the reasons of hybrid systems use are analyzed as well as the present situation in Greece. In Chapter 2 the renewable energy systems that use the solar power are introduced. The phenomenon which enables them to produce electric energy from the sun is explained. We also quote the important components of them, their technology and their features. In Chapter 3 we examine the renewable energy systems that use the wind power. The wind turbines are introduced, their technology and their features. In Chapter 4 we examine the Fuel Cell technology. The way the fuel cell technology works, its components, electrolyzers, and the technology of producing and storaging hydrogen is introduced. In Chapter 5 we introduce the batteries we use to renewable energy systems and their technology. Then, in Chapter 6, the Micro power Optimization Model HOMER is described extensively. This computer model presents the optimum configuration by taking for granted the Total Net Present Cost (NPC) of each system. Homer also materializes three basic operations (simulation, optimization and sensitivity analysis) which are obvious in this project. In the final stage of this project and more specifically in Chapter 7 is given the location of the study as well as the load which is going to be covered by the hybrid system. Afterwards, a description of technological elements takes place and the variables that are used by HOMER are reported too. Extensive description of each hybrid system with schematic depictions and interpretation of curves that results from the simulation follows. Finally in Chapter 8 all the results are compared together, aiming to find the optimum configuration with basic criteria the total cost of investment, the surplus of electric energy, the annual production of electric energy in KWh and the quantities of pollutant substances that are emitted in the environment. The conclusion that derives is that the future belongs to the technology of Hydrogen.

Nous proposons une méthodologie de conception pour les systèmes de commande tolérants aux fautes en partant d’un modèle de base exhaustif pour le système complexe à superviser. En pratique, la modélisation exhaustive est réalisée grâce à un automate hybride enrichi par des paramètres quantifiant les défaillances possibles. Ceci permet de modéliser les défaillances partielles. Dans la phase hors ligne, ce système complexe est transformé en un système discret abstrait et exploitable selon des techniques dédiées. Un superviseur est alors construit selon les objectifs de fonctionnement.Lors du fonctionnement du système, l’occurrence d’une défaillance se traduit par l’invalidation de plusieurs comportements dans le modèle abstrait et l’introduction d’incertitudes. Par la suite, les modules de diagnostic et d’identification (qui ne rentrent pas dans l’objet de notre thèse) réduisent de façon progressive le modèle hybride au cours du temps. Afin de pouvoir mettre à jour le modèle discret abstrait, on a développé des algorithmes de calcul d’atteignabilité, de vérification et de génération de régions stabilisées.Pour pouvoir superviser un tel système, l’utilisation de méthodologies d’abstraction est nécessaire afin de transformer le modèle bas niveau exhaustif en un modèle discret approprié. Nous réalisons cette abstraction en proposant des algorithmes qui tiennent compte du contexte d’utilisation (objectifs, contraintes…). Lorsqu’une défaillance est détectée, la reconfiguration est déclenchée en essayant, au fur et à mesure de l’enrichissement du modèle abstrait, de réduire le fonctionnement du système défaillant dans un des schémas prédéfinis / We propose a methodology for the design of fault tolerant control systems for the supervision of complex systems. First, the system is exhaustively described through a hybrid automaton which is enriched with parameters that quantifies the possible complete or partial faults. In the offline stage, the complex system is abstracted into a useful discrete event system with dedicated approaches. After, a supervisor is designed according to the standard objectives.In the online stage, fault detection can be interpreted by prohibiting some behaviours and introducing uncertainties. Thereafter, the diagnosis and identification modules (that are not treated in this work) reduce progressively the hybrid system. In order to update the abstract model, we developed some algorithms for reachability calculus, verification and generation of stabilized regions.In order to supervise the faulty system, the use of abstraction methodologies is necessary in order to transform the low level exhaustive model into an abstract and appropriate model. This abstraction is realized through algorithms that takes into account the abstraction context (objectives, constraints…). When a fault is detected, the reconfiguration is triggered by trying, as the abstract model is enriched, to reduce the behaviour of the faulty system into a preconceived model

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-06-15T11:38:10Z No. of bitstreams: 1 JUACELI ARAÚJO DE LIMA - TESE (PPGRN) 2016.pdf: 2824665 bytes, checksum: 4dc50dd9d896729be9f911b5fa76daa4 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-15T11:38:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JUACELI ARAÚJO DE LIMA - TESE (PPGRN) 2016.pdf: 2824665 bytes, checksum: 4dc50dd9d896729be9f911b5fa76daa4 (MD5) Previous issue date: 2016-02-04 / Mediante crise energética referenciada no contexto nacional, surge à necessidade de se estudar alternativas viáveis capazes de contribuir com a Matriz energética. Este trabalho, apresenta uma proposta de sistema híbrido de energia, que possibilite usar simultaneamente a energia solar e eólica, respondendo desta forma o objetivo de avaliar como a sustentabilidade da geração híbrida solar e eólica pode contribuir para o desenvolvimento sustentável do Nordeste brasileiro, através de sua matriz energética. Para o alcance deste objetivo, se fez necessário Identificar os potenciais solar e eólico no Nordeste brasileiro para o período de 2010 e 2011, resultando na construção do Mapa de Complementaridade de energia Solar e Eólico, que apresenta os melhores potenciais de energia solar e eólica, indicando a simultaneidade através de um sistema híbrido, por esta análise surge a necessidade de utilização e adaptação de indicadores de desenvolvimento energético sustentável, contribuindo para determinação das regiões mais propícias em termos de relevo e hidrografia, e que ao mesmo tempo determinem o menor impacto ambiental e turístico. Para este resultado, se fez necessário identificar e adaptar um modelo de Indicadores Energéticos para o Desenvolvimento Sustentável – IEDS, o modelo utilizado foi o Modelo proposta pela IAEA. Para a utilização destes indicadores, foram utilizados dados de órgãos competentes como Ministério de Minas e Energia, Embrapa, EPE e Abrelpe, desenvolvendo uma análise adaptada do IEDS. Desta forma, os sistemas híbridos de energia solar e eólicos, mostraram-se propícios e sustentáveis, inclusive com a apresentação de sistemas de armazenamento de distribuição de energia. O mapa de complementaridade, gerado através do modelo numérico: Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modelling System – BRAMS, conseguindo apresentar as áreas ideais para aplicação de sistemas híbridos, os quais puderam ser percebidos, dentre os Estados nordestinos, nos Estados do Rio Grande do Norte, Paraíba, Pernambuco, Alagoas, Sergipe e Bahia, os demais apresentaram padrões inferiores. Desta forma, desconsiderando à faixa litorânea, correspondente a região turística, que deve ser estrategicamente resguardada, foram indicados os intervalos de variação solar e eólica que se encontram na variação de 1250 a 1350 (kWm-2h-1), descritas e analisadas áreas por área no decorrer do trabalho. / In view of the energy crisis that reaches Brazil, it arises the need to study suitable alternatives that contribute to the energy matrix. This study presents a proposal for energy hybrid system, which allows simultaneously the use both solar and wind energy, thus addressing the goal of how to assess the sustainability of wind and solar hybrid generation can contribute to the sustainable development of the Brazilian Northeast, through its energy matrix. To achieve this objective, it was necessary to identify the solar and wind potential in Northeast Brazil for the period 2010 and 2011, resulting in the construction of solar power Complementarity Map and Wind, which has the best potential for solar and wind power, indicating concurrency through a hybrid system. Through this analysis it emerges the need to use and adaptation of sustainable energy development indicators, contributing to determining the most favorable regions in terms of topography and hydrography, and at the same time determine the lowest environmental impact for tourism. For this result, it was necessary to identify and adapt a model Energy Indicators for Sustainable Development - IEDs, the model used was proposed by the IAEA. For the use of these indicators, the competent sources of data were used such as the Ministry of Mines and Energy, Embrapa, EPE and Abrelpe, developing an analysis adapted from IEDs. Thus, the hybrid systems of solar and wind energy, proved amenable and organic, including the production of power distribution storage systems. The complementarity map generated by the numerical model: Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System - BRAMS, presented the ideal areas for application of hybrid systems, which could be perceived from the northeastern states: Rio Grande do Norte, Paraiba, Pernambuco, Alagoas, Sergipe and Bahia, the others had lower standards. Thus, excluding the coastal strip, corresponding to the tourist area, which should be strategically guarded, the solar and wind variation intervals are indicated which are in the range 1250-1350 (kWm-2h-1), described and analyzed areas by during the work area.

Many applications in engineering, computer science and economics involve mixed-integer optimal control problems. Solving these problems in real-time is a challenging task because of the explosion of integer combinations to evaluate. This thesis focuses on the development of new algorithms for mixed-integer programming with an emphasis on optimal control problems of fast dynamical systems with discrete controls. The first part proposes two reformulations to reduce the computational complexity. The first reformulation avoids integer variables altogether. By considering a sequence of switched dynamics, we analyze the switching time optimization problem. Even though it is a continuous smooth problem, it is non-convex and the cost function and derivatives are hard to compute. We develop a new efficient method to compute the cost function and its derivatives. Our technique brings up to two orders of magnitude speedups with respect to state-of-the-art tools. The second approach reduces the number of integer decisions. In hybrid model predictive control (MPC) the computational complexity grows exponentially with the horizon length. Using approximate dynamic programming (ADP) we reduce the horizon length while maintaining good control performance by approximating the tail cost offline. This approach allows, for the first time, the application of such control techniques to fast dynamical systems with sampling times of only a few microseconds. The second part investigates embedded branch-and-bound algorithms for mixed-integer quadratic programs (MIQPs). A core component of these methods is the solution of continuous quadratic programs (QPs). We develop OSQP, a new robust and efficient general-purpose QP solver based on the alternating direction method of multipliers (ADMM) and able, for the first time, to detect infeasible problems. We include OSQP into a custom branch-and-bound algorithm suitable for embedded systems. Our extension requires only a single matrix factorization and exploits warm-starting, thereby greatly reducing the number of ADMM iterations required. Numerical examples show that our algorithm solves small to medium scale MIQPs more quickly than commercial solvers.

Le monde des communications par satellite est dominé par les systèmes de diffusion de la télévision. Cependant, des satellites de communication offrent aussi des services de téléphonie et de données. Ils sont regroupés dans les familles des systèmes fixes et mobiles et ciblent des marchés de niche. Dans cette thèse, nous avons la volonté d’étendre les scénarios d’utilisation de ces systèmes. Notre vision nous dicte que leur développement est lié à l’utilisation de réseaux hybrides mobiles satellite-terrestre. En effet, une utilisation complémentaire des deux segments permet de s’affranchir d’une concurrence trop féroce des réseaux de télécommunications terrestres. Pour cela, nous optons pour deux applications qui nous paraissent prometteuses : un réseau mobile LTE (Long Term Evolution) avec des stations de base qui possèdent un backhaul satellite et un réseau MANET (Mobile Ad-hoc NETwork) qui s’interconnecte à des réseaux extérieurs grâce à des liaisons satellite. Nous soulevons l’un des problèmes les plus contraignants du réseau mobile LTE avec des backhauls satellite : la gestion de la mobilité. L’analyse du standard nous a conduits à conclure quant à la nécessité d’optimiser les procédures du handover. Ceux qui nécessitent des modifications surviennent entre des stations de base qui n’utilisent pas le même backhaul satellite et entre une station de base avec un backhaul satellite vers une avec un backhaul terrestre. Deux points nous ont semblé importants : la phase de préparation et le mécanisme qui permet d’éviter les pertes. Nous proposons donc une nouvelle phase de préparation qui prend en compte le retard induit par la liaison satellite ainsi qu’une phase de préparation à double décision combinée avec une préparation de multiples stations de base. Nous tentons ainsi de maximiser les chances de réaliser un handover avec succès. Puis, nous avons imaginé un mécanisme qui permet à la fois d’éviter les pertes lors de l’exécution du handover et de sauvegarder les précieuses ressources du satellite. Les réseaux MANET associés à des liaisons satellite offrent des caractéristiques très intéressantes pour les communications d’urgence, telles que l’indépendance vis-à-vis des infrastructures terrestres susceptibles d’être endommagées par des catastrophes ainsi qu’un déploiement rapide pour une intervention sur le théâtre des opérations. Nous avons souhaité améliorer l’un des points cruciaux dans le cadre d’une hybridation : la sélection de la passerelle satellite. Nous avons donc développé un mécanisme qui prend en compte la charge sur les passerelles satellite ainsi que le phénomène d’oscillation de passerelle souvent négligé dans la littérature. Ces optimisations ont pour but de favoriser le développement de réseaux hybrides satellite terrestres en améliorant les performances de ces réseaux. L’avenir nous semble prometteur quant à l’utilisation de la technologie LTE avec un backhaul satellite pour lequel nous avons proposé une nouvelle gestion de la mobilité qui est primordiale pour son développement. / Satellite communications are leaded by television broadcasting. Yet, fixed and mobile satellite systems provide voice services as well as IP-based applications. In this thesis, we try to develop user scenarios in order to extend their targeted market. Our vision to reach this objective consists to use hybrid satellite and terrestrial mobile networks. This network design avoids a competition between both segments in which a satellite success is difficult to imagine. Furthermore, hybrid networks may draw benefits from both segments. Two promising scenarios have been selected. The first one consists in a mobile LTE network (Long Term Evolution) with base stations backhauled by satellite links whereas the second scenario is composed of a Mobile Ad-hoc Network (MANET) connected to external networks thanks to satellite systems. One of the main problems in the hybrid LTE scenario is caused by mobility procedures. As a consequence of the standard analysis, we have decided to optimize the mobility management in two cases: a handover between two base stations for which the backhaul is provided by two different satellite terminals and a handover from a base station with a satellite backhaul to one with a terrestrial backhaul. Two procedures have drawn our attention: the preparation phase and the loss avoidance mechanism during the execution phase. First of all, we design a new procedure for the preparation which takes into account the delay induced by the satellite link. This new phase is based on a twofold decision preparation associated with multiple preparations. This solution leads to an increase of handover success. The second optimization aims to avoid losses during the execution phase and, at the same time, save satellite resources. MANET and satellite hybridization leads to very interesting characteristics for public safety communications. Indeed, these networks are independent of terrestrial infrastructures that can be impaired or destroyed. Furthermore, they can be rapidly deployed in the theater of operation. Gateway selection is a crucial problem linked to hybrid MANET. Therefore, we have focused our work on this mechanism taking into account the measured load on the satellite links as well as an oftenneglected phenomenon, the gateway flapping. These optimizations tend to promote hybrid satellite and terrestrial networks improving their performance. A promising future is foreseen for the hybrid LTE technology and we have proposed a solution to a problem that may be very detrimental to its deployment.

A constituição de sistemas híbridos como alternativa ao fornecimento de energia da concessionária, gerando energia própria e operando de forma isolada ou interconectada ao sistema de distribuição, tem originado estudos e implementações em nível industrial, comercial e mais recentemente residencial. A principal discussão que surge são as análises das vantagens técnicas e econômicas pela opção desse tipo de instalação. Neste trabalho, é apresentado um estudo complementar às pesquisas realizadas, onde é projetado um sistema híbrido contendo aerogeradores, painéis fotovoltaicos, processo de eletrólise, célula a combustível, microturbina a gás e geradores diesel. Esse sistema é simulado e comparado técnica e economicamente a um sistema que contém apenas geradores diesel. O sistema híbrido proposto possui uma microrrede conectada a um típico sistema de distribuição mas com um limite de demanda contratada que impede a satisfação de todas as necessidades energéticas da instalação apenas com a energia da concessionária. Procura-se avaliar os impactos técnicos e econômicos do atendimento da demanda por eletricidade através deste sistema híbrido além de executar-se a otimização, via PSO, do dimensionamento deste sistema, que utiliza uma ordem de despacho para gerenciar as mini unidades geradoras de energia. Foi utilizado o software TRNSYS devido a sua característica de permitir estimar a potência e energia produzidas no intervalo de um ano com detalhamento horário de cada recurso, considerando estimativas reais e localizadas para a disponibilidade dos recursos eólicos e fotovoltaicos. / The designing of hybrid systems as an alternative to power supply from power utility, generating their own energy in operating islanded or grid-tie to the power utility, has resulted in studies and implementations in industrial, commercial and residential level recently. The main discussion that arises is the analysis of the technical and economical advantages for this type of solution. This work presents a complementary study to the researches conducted nowadays, which is designed a hybrid system containing wind turbines, photovoltaic panels, electrolysis process, fuel cell, gas micro turbine and diesel generators. This system was simulated and was compared technically and economically to a system with only diesel gensets. The proposed hybrid system has a microrrede connected to a typical distribution system with a limited power demand value that prevents the satisfaction of all energy needs of the installation only with the utility power. This study evaluates the technical and economical impacts to meeting electric power consumption through this hybrid system and optimize using PSO, the design of this system that uses a dispatch order to manage the mini power generation units. The TRNSYS software was used due to its feature of allowing estimate the electric power and electric energy produced in one year apart with hourly details of each feature, considering actual estimates and localized availability of wind and photovoltaic resources.

abstract: In this dissertation, two problems are addressed in the verification and control of Cyber-Physical Systems (CPS): 1) Falsification: given a CPS, and a property of interest that the CPS must satisfy under all allowed operating conditions, does the CPS violate, i.e. falsify, the property? 2) Conformance testing: given a model of a CPS, and an implementation of that CPS on an embedded platform, how can we characterize the properties satisfied by the implementation, given the properties satisfied by the model? Both problems arise in the context of Model-Based Design (MBD) of CPS: in MBD, the designers start from a set of formal requirements that the system-to-be-designed must satisfy. A first model of the system is created. Because it may not be possible to formally verify the CPS model against the requirements, falsification tries to verify whether the model satisfies the requirements by searching for behavior that violates them. In the first part of this dissertation, I present improved methods for finding falsifying behaviors of CPS when properties are expressed in Metric Temporal Logic (MTL). These methods leverage the notion of robust semantics of MTL formulae: if a falsifier exists, it is in the neighborhood of local minimizers of the robustness function. The proposed algorithms compute descent directions of the robustness function in the space of initial conditions and input signals, and provably converge to local minima of the robustness function. The initial model of the CPS is then iteratively refined by modeling previously ignored phenomena, adding more functionality, etc., with each refinement resulting in a new model. Many of the refinements in the MBD process described above do not provide an a priori guaranteed relation between the successive models. Thus, the second problem above arises: how to quantify the distance between two successive models M_n and M_{n+1}? If M_n has been verified to satisfy the specification, can it be guaranteed that M_{n+1} also satisfies the same, or some closely related, specification? This dissertation answers both questions for a general class of CPS, and properties expressed in MTL. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2015

abstract: As the demand for renewable and alternative energy continues to increase with both large industrial companies and average homeowners, there continues to be a challenge of efficient energy storage. Several main alternative energy producers such as wind turbines, hydroelectric dams, and solar photovoltaic arrays have become more commonly used over the past decade for generating energy. One of the most common issues with these alternative energy producers is the intermittent production and supply of energy due to fluctuations in weather conditions, peak loads, and instantaneous power draw. To counteract these issues, storage units such as battery banks and proton exchange membrane fuel cells are introduced to provide electricity for the unmet energy demands. In this study, a solar photovoltaic array and fuel cell hybrid system has been set up to provide the energy needs for an average Arizona residential household. A bench test setup has revealed that a solar photovoltaic array and the fuel cell hybrid system can produce enough energy to power an Arizona household that on average consumes 37.7 kWh/d. Additionally, a Mathworks MATLAB/Simulink model of the hybrid system has been created to simulate specific scenarios which provide insight into the system’s reaction to various conditions such as varying solar irradiance and temperature variables and poor weather conditions. Finally, the economic impact of the hybrid system was simulated using HOMER Legacy to analyze the cost effectiveness of a 25-year project. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Engineering 2017

abstract: Testing and Verification of Cyber-Physical Systems (CPS) is a challenging problem. The challenge arises as a result of the complex interactions between the components of these systems: the digital control, and the physical environment. Furthermore, the software complexity that governs the high-level control logic in these systems is increasing day by day. As a result, in recent years, both the academic community and the industry have been heavily invested in developing tools and methodologies for the development of safety-critical systems. One scalable approach in testing and verification of these systems is through guided system simulation using stochastic optimization techniques. The goal of the stochastic optimizer is to find system behavior that does not meet the intended specifications. In this dissertation, three methods that facilitate the testing and verification process for CPS are presented: 1. A graphical formalism and tool which enables the elicitation of formal requirements. To evaluate the performance of the tool, a usability study is conducted. 2. A parameter mining method to infer, analyze, and visually represent falsifying ranges for parametrized system specifications. 3. A notion of conformance between a CPS model and implementation along with a testing framework. The methods are evaluated over high-fidelity case studies from the industry. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Computer Science 2017