Design of sustainable energy systems : a new challenge for Engineering Education

This paper presents the main features of the master-level programme in “EcoEnergy” offered as a full-time one year course at “Institut National Polytechnique of Toulouse” in order to provide engineers with a state-of-the-art education in the area of advanced energy technologies and systems. It is based on an original and equilibrated combination of process systems engineering and electrical engineering disciplines, with an interdisciplinary problem-solving approach necessary for identifying sustainable solutions in the energy sector. More precisely, the students learn how to design, develop and implement energy systems and technologies in various industrial sectors for which efficient management of energy issues is vital to remain competitive

Optimal design of electrical engineering systems using Pareto Genetic Algorithms

This paper presents a Pareto Genetic Algorithm for multiobjective optimisation in electrical engineering design. Through a simple electromechanical system, based on an inverter-permanent magnet motor-reducer-load association described by analytical models, we discuss the efficiency and advantages of such methods. We have chosen a rather simplified case study, to emphasise advantages of this approach for optimisation issues as well as a better understanding of system couplings

Méthode de mesure des fréquences propres et des coefficients d’amortissement d’une machine synchrone a aimants permanents

Le comportement vibratoire des machines synchrones à aimants permanents dépend considérablement des caractéristiques modales de leur structure mécanique (déformées spatiales, fréquences propres, coefficients d'amortissement). Dans cet article, nous présentons une nouvelle méthode pour les déterminer expérimentalement. Tout d'abord, les techniques classiquement utilisées pour mesurer les caractéristiques modales sont présentées. Puis, une étude théorique établit une relation entre les courants d'alimentation et les vibrations d'origine électromagnétique. A partir de cette étude, une nouvelle méthode, permettant de déterminer les fréquences propres et les coefficients d'amortissement de la structure mécanique de la machine, est proposée : elle s'effectue avec le rotor de la machine à l'arrêt et utilise les forces produites par les courants d'alimentation comme sources d'excitation de la structure mécanique. Afin de la valider, cette méthode est mise en oeuvre sur un dispositif expérimental et les résultats sont comparés à ceux obtenus par la méthode classique d'essais par impacts

First steps towards a full integrated cad system for electrical machines

An approach for electrical machines design by using a software which links the sizing procedure to the magnetic field computation is presented in this paper. After reviewing the principles of an electrical machine general design, the process of the development and the use of a special link between the dimensions data and the magnetic field computation is described. The whole solution procedure is conducted automatically. Any change on the machine dimensions can be made and the sequence of the CAD tasks can be prepared and run automatically without any user intervention. The whole procedure is applied to a comparative study of different structures of permanent magnets synchronous motors

Compensation of permanent magnet motors torque ripple by means of current supply waveshapes control determined by finite element method

A method to determine the supply current waveshapes for torque ripple compensation in permanent magnet motors without saliency and damping bars, by means of a finite element code, is presented. First, a theoretical analysis shows that current waveshapes producing constant torque can be determined. This analysis leads us to an expression for the current as a function of the motor emf and cogging torque. Several methods, based on finite element computation of the magnetic field, for computing the cogging torque and emf are proposed and compared. A special experimental bench for motor torque measurement is used to validate the theoretical results

Hybridation d'une pile à combustible par des supercondensateurs (vers une solution passive et directe)

La faisabilité des applications à piles à combustible (PAC) a été largement démontrée à travers le monde. Les efforts de recherche portent actuellement sur l'amélioration de la durée de vie des PAC et la diminution de leur coût. A ce jour, une PAC ne tolère pas les variations rapides de charges qui entraînent très souvent son vieillissement prématuré. Pour pallier cette faiblesse, une hybridation avec un composant électrochimique de stockage (typiquement des supercondensateurs) est généralement proposée via un ou deux convertisseurs statiques, nécessitant l'implantation d'une gestion énergétique. Une partie de ces travaux se situe dans le contexte aéronautique et fait suite au projet européen CELINA piloté par AIRBUS. Le projet européen CELINA (2005-2008) a posé la problématique du remplacement de l'éolienne (RAT) actuelle par une pile à combustible pour le réseau électrique de dernier secours sollicité en cas de perte totale des moteurs ou de la génération électrique. Il alimente les charges essentielles : auxiliaires de puissances presque constantes (calculateurs de bord, ) et les actionneurs de vol (EHA, EMA) qui constituent les principaux consommateurs à caractères très intermittents. Cette étude a permis une classification de trois architectures, dont la validation expérimentale se situant dans le cadre du projet français ISS ayant débuté en 2010 sera exposée. L'hybridation directe entre une PAC et des supercondensateurs présente les avantages de ne pas mettre en jeu de convertisseur statique et d'une autogestion énergétique naturelle. Partant du constat que toutes les applications embarquées utilisant des PAC sont hybridées et qu'un développement d'architecture et de stratégies est effectué pour chaque cas (mise au point de convertisseurs, lois de commande, etc.). Ceci représente un travail considérable et systématique, ce qui freine l'implantation des systèmes PAC dans les applications embarquées. L'objectif est alors d'étudier la faisabilité d'un composant hybride unique jouant le rôle de source de puissance et d'énergie dont la gestion énergétique est transparente pour l'utilisateur et ne nécessitant pas l'ajout d'une hybridation supplémentaire pour ces applications. Cette thématique fait l'objet de ces travaux de thèse en collaboration avec la société française HELION Hydrogen Power. Après une présentation de l'introduction des systèmes PAC en aéronautique centrée autour de l'hybridation directe, la suite des travaux regroupe deux grandes thématiques : la première concerne l'étude des interactions entre PAC et supercondensateurs lors d'une association directe selon trois approches : théorique, expérimentale et par simulation. La seconde concerne la validation expérimentale de trois architectures d'hybridation d'un système PAC retenues pour un contexte aéronautique lors d'études précédentes au laboratoire : une architecture indirecte pour laquelle le stockage possède son convertisseur, une architecture indirecte avec stockage sur le bus DC et une architecture directe. L'objectif de ces travaux étant d'augmenter le niveau de maturité technologique de ces concepts, ainsi que de comparer les différents moyens retenus pour parvenir à l'hybridation d'un système PAC suivant des critères précis.The feasibility of fuel cell (FC) applications has been demonstrated throughout the world. Research efforts are currently focused on improving the lifetime of the FC and reducing their cost. Until today, a FC does not tolerate rapid variations of load that cause in most cases lifetime reducing. To reduce this defect, hybridization with electrochemical storage component (typically ultracapacitors) is generally suggested via one or two static converters, requiring the implementation of an energy management. Aeronautic applications constitute the framework of these studies. They are the prolongation of studies initiated within the European project CELINA piloted by AIRBUS. The CELINA project (2005-2008) dealt with the replacement of the Ram Air Turbine (RAT) which is currently used for the last emergency electrical network in the case of total losses of engines or electrical generation. This emergency network has to supply the essential loads: the piloting auxiliaries (calculators ) consume a quasi-constant power, and the flight actuators (EHA, EMA) which are the main loads whose consumption is very intermittent. This study resulted in a classification of three architectures for which experimental validation in the framework of the French ISS project started since 2010 will be exposed. The direct hybridization between a FC and ultracapacitors has the advantages of not involving static converter and provide a natural energy management. The statement of facts is that all embedded applications using FC are hybridized, architecture and strategies development is performed for each case (development of converters, control laws, etc.). This represents a significant and systematic work, which limits the implementation of FC in embedded applications. In this work, the objective is to study the feasibility of a single hybrid component acting as a power and energy source for which energy management is transparent to the user and does not require the addition of another hybridization. This work is part of collaboration with the French company HELION Hydrogen Power. After a presentation of the insertion of FC in aeronautics centered on the direct hybridization, two major themes are approached: The first concerns the study of interactions between FC and ultracapacitors in a direct association according to three approaches: theoretical, experimental and simulation. The second concerns the experimental validation of three hybridization architectures for FC considered in previous studies in the laboratory: an architecture for which the indirect storage has its converter, an architecture with indirect storage on the DC bus and a direct hybridization architecture. The objective of this work is to increase the level of technological Readiness level of these concepts, and to compare the different ways considered to achieve the hybridization of a fuel cell system according to specific standards.TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

An efficient torque speed characteristic calculation method for brusbless C.A.D using optimization techniques

Nowadays, powerful tools enable to simulate the work of inverter fed machine systems. But, they generally require long calculation times and large memory capacities and many parameters, So, they are not well adapted for an iterative design. In this paper, we present an efficient model, based on optimization techniques, for current fed synchronous machines fed by means of current controlled voltage inverter which leads to very short calculation times to determine torque speed characteristic of such a actuator. The limits of the valitidy of this model are discussed and simulated results are compared to experimental ones for validation

Alimentation électrique d'un site isolé à partir d'un générateur photovoltaïque associé à un tandem électrolyseur/pile à combustible (batterie H2/O2)

Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC ) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011.Renewable energy systems coupled to a hydrogen storage bring new and innovative solutions to supply power to environments with little or no electricity. The concept of H2 battery which is a part of such system is a form of storage that gives autonomy and electric independence for long periods (typically seasonal storage). The operation of this H2 battery is this: an electrolyser produces gases (H2 and O2) with the extra energy from the renewable source. Hydrogen or oxygen is then stored in tanks for later use with a fuel cell when the renewable source becomes insufficient. In this study, we focus specifically on the coupling between photovoltaic arrays with a H2/O2 battery to supply power to a remote site without interruption. This work is part of the PEPITE Project, partially funded by the french National Research Agency (ANR-Panh 2007-2011) and was conducted in partnership with HELION Hydrogen Power, CEA-Liten and the University of Corsica. The project is also accredited by the CAPENERGIES and TENERRDIS clusters. First, a general discussion based on the properties of a H2/O2 battery demonstrates the need to introduce a secondary battery (lead in our case) to ensure an instant and uninterrupted operation. Then, a qualitative study on the possible electrical architectures (DC bus or AC bus) was conducted and resulted in a quantitative study conducted specifically for the PEPITE project. At the same time, various energy management strategies have been proposed to use both storage in the best conditions, limiting their losses and aging. Two small scale bench tests (one with a DC bus and a second with an AC bus) were performed in the LAPLACE laboratory to validate our strategies and prepare the final prototype which will be tested on the site of HELION Hydrogen Power during the summer of 2011.TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

Multiobjective optimization of large scale photovoltaic (PV) systems design: Technico-economic and life-cycle assessment considerations

Solar energy systems are a source of "clean" energy. Yet, if power generation from photovoltaic (PV) systems is free from fossil fuel use and greenhouse gas (GHG) emissions, a considerable amount of energy is consumed in the manufacturing and transport of the elements of the system. Silicon is currently the most widely used material for solar cell design. In this context, life cycle assessment (LCA) studies play a major role to compare and analyze the environmental impacts of products and services along their life cycle. This work aims at determining a general methodology for designing large scale photovoltaic systems, taking into account both technico-economic and environmental considerations. In this paper, only the environmental issue tackled by Life Cycle Assessment has been implemented to quantify the environmental impacts related to three technology of crystalline silicon for photovoltaic modules (PV) that are monocrystalline, multicrystalline and ribbon silico

Off-line and On-line Power Dispatching Strategies for a Grid Connected Commercial Building with Storage Unit

With the development of decentralized power sources based on renewable energy, power grids need smarter operations to be run properly. This paper refers to a microgrid with solar panels associated with an energy storage unit connected to the main grid. An off-line optimal dispatching of the storage power flows is proposed in order to minimize energy costs with regards to the daily energy rates. An on-line management strategy is also introduced so as to control in real-time the grid power predicted over the day by the off-line dispatching