Contribution à l'optimisation, la gestion et le traitement de l'énergie
Résumé
Nowadays, renewable energies become an alternative solution to the classical energies obtained from fossil resources. Renewable energies have reached a high level of development, mainly in terms of cost and production facilities. However, the electrical conversion systems are often not optimized in terms of reliability, electrical efficiency and cost production. For that, there is a lot of reticence to install these systems in home sites or in big centrals for mass energy production. Since 1997 LAAS-CNRS has focused his research in the optimization of the power conversion chains from a system point of view. Indeed, due to the inexistence of optimal solutions for these electrical systems and the absence of research groups in France interested in this problem, the research goals were finally centered on the electrical conversion and thermal management of photovoltaic energy systems. First works were focused in the optimization of conversion efficiency. For that, LAAS-CNRS has developed and installed a complete outdoor photovoltaic system. The PV demonstration site has 1 kW of peak power and an automatic measurement system capable of characterize the electrical efficiency of different power conversion structures with high level of precision. Novel power conversion structures devoted for photovoltaic systems have been developed in collaboration of foreign research groups like the GAEI from University Rovira i Virgili (Tarragona) and the EPIC from the Polytechnic University of Catalonia (Barcelona). Meteorological dependence of the renewable energy sources produces a low level of predictability of the energy production. In order to produce energy without strong variations we have coupled different energy sources like PV generators and small wind generators by means of batteries. Additional studies have been made regarding to the optimal battery management. Maturity in the studies of the photovoltaic systems shows news trends and new possible applications of this systems in the field of microsystems and on-board systems with low power processing capabilities. We have then developed in 2000 a new research goal based in the integrated microsources and microconverters for microsystems applications. In fact, nowadays the research conducted in the optimization of static converters can be generalized in a great number of applications depending on the required power supply. The objectives are size and volume minimization limiting the development cost. New power supplies regardless of the final application (military, spatial, telecommunications&) must be compact, semi-integrated or, in the future, fully integrated. For that, they have to be modeled with a high level of precision to attain from the first steps of design costs restrictions, frequency requirements and power density specifications. In fact, the objective for the next years is to obtain a series of new power supplies, adapted in size for their applications, with high power conversion efficiencies.
Aujourdhui, les énergies renouvelables deviennent progressivement des énergies à part entière qui rivalisent avec des énergies fossiles du point de vue coût et performance de production. Cependant, souvent leurs systèmes de conversion de lénergie en électricité souffre dun manque doptimisation qui en font encore des systèmes trop chers et présentant des déficiences importantes en rendement et en fiabilité. Pour cela, bien quil existe de plus en plus de travaux de recherches prouvant la viabilité de ce type de sources comme par exemple, lénergie photovoltaïque (PV) ou lénergie éolienne, beaucoup de réticentes existent pour installer ces systèmes à grande échelle autant en production de masse que chez des particuliers. A côté des autres laboratoires français, le LAAS-CNRS a choisi dapporter sa contribution sur la partie «Système» de la chaîne de conversion. En effet, du fait de lexistence de problèmes de non-optimisation électrique des systèmes et du manque déquipes de recherche sintéressant à ces axes, les points à résoudre se situaient alors autant sur la partie conversion électrique que thermique du générateur PV. Les premiers travaux entrepris se sont donc focalisés sur loptimisation de la partie conversion électrique. Pour cela, en sappuyant sur la création, le développement et lévolution constante du site de démonstration de 1kW crête PV entièrement instrumenté au sein même du LAAS, différentes architectures de conversion électriques dédiées au PV, ont été développées, notamment en collaboration avec lUniversité Rovira i Virgili de Tarragone (URV) et lUniversité Polytechnique Catalane de Barcelone (UPC). Très rapidement, nous nous sommes aperçus que, même si les systèmes PV faisaient des progrès considérables, ils ne pourraient à eux seuls représenter une source dénergie fiable. En effet, les variations de production étant fortement couplés aux données météorologiques, la production ne pouvait pas forcément être assurée lorsque lutilisation se n faisait sentir. Nous avons donc pensé à coupler les systèmes PV à dautres sources dénergie ainsi à travers des moyens de stockage. La maturité des études sur le photovoltaïque montre, quant à elle, de nouveaux débouchés, notamment sur les systèmes embarqués et les microsystèmes de très faibles puissances. Nous avons donc développé un nouvel axe de recherche depuis 2000 au sein du LAAS-CNRS sur les micro-sources et micro-convertisseurs intégrés dédiés aux microsystèmes. En effet, aujourdhui, les études menées sur loptimisation de convertisseurs statiques dénergie peuvent se généraliser à un certain nombre dapplications vis à vis de leur alimentation. Les objectifs sont de minimiser la taille et le volume tout en limitant les coûts de développement des nouveaux produits et en réduisant notamment les phases de prototypage réel. En effet, quel que soit le type dapplication visée (militaire, spatial, télécommunications, etc&), les nouvelles alimentations doivent être compactes, semi-intégrées ou bien, dans un futur proche, totalement intégrées. Pour cela, elles doivent être modélisables avec une grande précision, en vue doptimiser, dès leur conception, les contraintes de coût, de montée en fréquence et de puissance massique. En résumé, le but, dans les années futures, est datteindre de forts rendements de conversion sur les nouvelles alimentations devant avoir des tailles compatibles avec leurs applications, dans la droite ligne des travaux accomplis.
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