Design of an LVDC grid based on renewable energy sources and multiple types of electrochemical storage elements

Dans le contexte d'une crise énergétique, écologique et climatique, l'intégration de sources d'énergie renouvelables dans les réseaux électriques apparait comme une nécessité absolue. Cette thèse propose dans un premier temps une étude bibliographique des technologies de production d'énergie renouvelable, des éléments de stockage d'énergie et des réseaux électriques avec un focus sur les micro-réseaux LVDC. Des méthodologies sont mises en place pour la modélisation de la production photovoltaïque de la plateforme BIPV ADREAM du LAAS-CNRS en se basant sur la base de données intégrée au bâtiment ainsi que pour la modélisation de différentes technologies de stockage électrochimique telles que les batteries au plomb, lithium, polymère ou encore hybrides Carbone. L'hydrogène est étudié comme un possible vecteur d'énergie de demain. Une synthèse est donnée sur ses applications industrielles et comme moyen de stockage d'énergie ainsi que sa production par électrolyse de l'eau en utilisant des sources photovoltaïque, concept nommé " Solar fuels ". Un prototype de chaîne de conversion d'énergie solaire en hydrogène a été conçu en collaboration avec le laboratoire RCAST de Tokyo, et comprenant panneaux photovoltaïques haut rendement à triple jonction, électrolyseurs à taille réduite, architectures de micro-convertisseurs Buck et Boost distribués et éléments de stockage lithium, et est proposé pour la partie expérimentale de cette thèse avec le but d'obtenir un haut rendement tout en permettant un contrôle précis.In the context of an energy, ecological and climate crisis, integrating renewable energy sources in electrical grids appears as an absolute necessity. A bibliographic study of renewable energy production technologies, energy storage elements and electrical grids with a specific focus on LVDC micro-grids is proposed in this thesis. Modeling methodologies for the photovoltaic energy production of the BIPV platform ADREAM of LAAS-CNRS based on the building's integrated database as well as for multiple electrochemical storage technologies such as lead, lithium polymer and hybrid carbon batteries. Hydrogen is investigated as possible vector of energy for the future. An overview of industrial hydrogen applications and usages of hydrogen as energy storage is given as well as an insight on the concept of hydrogen production through water electrolysis using photovoltaic sources, named "solar fuels". A prototype of a solar to hydrogen energy conversion chain was designed in collaboration with the RCAST laboratory, Tokyo. The prototype serves as an experimental part for this thesis and is composed of high efficiency triple junction photovoltaic cells, small scale electrolyzer cells, distributed Buck and Boost micro-converter architectures and lithium storage elements with the goal of achieving high solar to hydrogen conversion efficiency while permitting precise control

Conception d'un réseau LVDC à base de sources d'énergie durable et de plusieurs types d'éléments de stockage électrochimiques

National audienceIn the context of an energy, ecological and climate crisis, integrating renewable energy sources in electrical grids appears as an absolute necessity. A bibliographic study of renewable energy production technologies, energy storage elements and electrical grids with a specific focus on LVDC micro-grids is proposed in this thesis. Modeling methodologies for the photovoltaic energy production of the BIPV platform ADREAM of LAAS-CNRS based on the building's integrated database as well as for multiple electrochemical storage technologies such as lead, lithium polymer and hybrid carbon batteries. Hydrogen is investigated as possible vector of energy for the future. An overview of industrial hydrogen applications and usages of hydrogen as energy storage is given as well as an insight on the concept of hydrogen production through water electrolysis using photovoltaic sources, named "solar fuels". A prototype of a solar to hydrogen energy conversion chain was designed in collaboration with the RCAST laboratory, Tokyo. The prototype serves as an experimental part for this thesis and is composed of high efficiency triple junction photovoltaic cells, small scale electrolyzer cells, distributed Buck and Boost micro-converter architectures and lithium storage elements with the goal of achieving high solar to hydrogen conversion efficiency while permitting precise control.Dans le contexte d'une crise énergétique, écologique et climatique, l'intégration de sources d'énergie renouvelables dans les réseaux électriques apparait comme une nécessité absolue. Cette thèse propose dans un premier temps une étude bibliographique des technologies de production d'énergie renouvelable, des éléments de stockage d'énergie et des réseaux électriques avec un focus sur les micro-réseaux LVDC. Des méthodologies sont mises en place pour la modélisation de la production photovoltaïque de la plateforme BIPV ADREAM du LAAS-CNRS en se basant sur la base de données intégrée au bâtiment ainsi que pour la modélisation de différentes technologies de stockage électrochimique telles que les batteries au plomb, lithium, polymère ou encore hybrides Carbone. L'hydrogène est étudié comme un possible vecteur d'énergie de demain. Une synthèse est donnée sur ses applications industrielles et comme moyen de stockage d'énergie ainsi que sa production par électrolyse de l'eau en utilisant des sources photovoltaïque, concept nommé " Solar fuels ". Un prototype de chaîne de conversion d'énergie solaire en hydrogène a été conçu en collaboration avec le laboratoire RCAST de Tokyo, et comprenant panneaux photovoltaïques haut rendement à triple jonction, électrolyseurs à taille réduite, architectures de micro-convertisseurs Buck et Boost distribués et éléments de stockage lithium, et est proposé pour la partie expérimentale de cette thèse avec le but d'obtenir un haut rendement tout en permettant un contrôle précis

Distributed DC/DC architecture for an LVDC hydrogen production microgrid based on concentrated photovoltaïc sources

International audienceIn the context of the decrease of fossil fuels and ecological transition, hydrogen production has been identified as a solution for storage consuption of renewable energies. High efficiency solar cells can be used in conjunction with solar concentration to further push the limits of photovoltaïc energy production. In order to maximize this production, high precision solar tracking in addition to optimized conversion devices are needed. In this study, a distributed DC/DC architecture is proposed with a Low Voltage DC microgrid, aiming to optimize energy flows between high efficiency concentrate

ESTIMATION EN TEMPS REEL DE L'ENSOLEILLEMENT GLOBAL POUR DIFFERENTES INCLINAISONS BASEE SUR UNE UNIQUE MESURE DE L'ENSOLEILLEMENT GLOBAL HORIZONTAL

National audienceLa qualité du productible, les performances de l’installation photovoltaïque dans son ensemble et le prévisionnel de puissance instantanée sont des éléments clefs permettant d’améliorer la gestion d’énergie photovoltaïque. Cela permet également d’en définir la rentabilité, les perturbations occasionnées, la durée de vie. Au laboratoire LAAS-CNRS à Toulouse, une plateforme appelée ADREAM présente une surface photovoltaïque totale de 720m² composé de 4 champs de différentes inclinaisons, et ce pour une puissance totale de 100kWc. Associée aux données météorologiques locales, l'énergie produite mesurée peut y être évaluée en quantité et qualité à chaque instant. Afin d’estimer le productible total de ces installations, il est essentiel de connaitre avec précision l’ensoleillement que reçoivent les champs PV en fonction de leur inclinaison et leur spécificité. Pour cela, il faudrait déployer des capteurs pour chaque champ d’inclinaison différente. L’acquisition de ces données par la mesure deviendrait alors très coûteuse. C’est dans cette optique qu’un modèle capable d’estimer de façon précise et en temps réel l’ensoleillement reçu par une surface inclinée a été développé. Ce modèle prend en compte seulement la mesure de l’ensoleillement global horizontal effectuée avec un pyranomètre de type CMP10, l’angle d’inclinaison de la surface, ainsi que les coordonnées de localisation géographique du champ PV. De nombreux modèles existants de la littérature [1] basés sur une moyenne horaire, hebdomadaire ou mensuelle des données d’ensoleillement ont été adaptés en temps réel et comparés afin de déterminer les méthodes de calcul optimales. Les modèles choisis ont ensuite été combinés pour former un modèle plus précis capable d’estimer l’ensoleillement incliné à la seconde près. Enfin, le modèle final est obtenu après une série de calibrages basés sur la détection des conditions météorologiques et des mesures supplémentaires telles que l’ensoleillement diffus. Dans ce papier, nous résumons les principaux résultats obtenus avec ce modèle d’estimation pour trois archétypes de journées correspondant aux scénarios météorologiques les plus courants : journée très ensoleillée, journée intermédiaire (moyennement nuageuse) et journée très nuageuse. L’erreur quadratique relative (RRMSE) est utilisée comme élément de comparaison entre estimation et mesure d’ensoleillement. Après validation du modèle, plusieurs perspectives de travaux peuvent voir le jour comme : l’estimation précise de production des champs PV de la plateforme ADREAM, la détection de défauts, l’analyse énergétique du bâtiment, etc...[1] G. Notton, P. Poggi, C. Cristofari, “Predicting hourly solar irradiations on inclined surfaces based on the horizontal measurements: Performances of the association of well-known mathematical models”, Energy Conversion and Management 47 (2006) 1816–182

LVDC grid based on PV energy sources and multiple electrochemical storage technologies

International audienceIn the global context of the electric power grid modernization, storage of electricity is a crucial issue. Nowadays, energy storage systems (ESS) are used more and more in positive energy buildings in conjunction with new Low Voltage Direct Current (LVDC) grids. However, the impact of renewable energy sources (RES) on ESS is not well known. The main objective of this article is to determine a systematic methodology to study energy data from a positive energy building in order to determine the impact on ESS dedicated to be included in smart-grids. The aim is to obtain comparative results in normalized working conditions and determine charge/discharge cycles. Clustering methods were compared to choose the more adapted one to treat the stored data of energy production and consumption during more than three years in our experimental platform in LAAS-CNRS, Toulouse. Each type of cycle will help further study in order to estimate its impact on efficiency and lifetime of ESS and then choose the more adapted element for each application

Adaptable equivalent circuit model for electrochemical storage elements as a part of energy system modeling for ZEB

International audienceIn the context of global energy transition, reduction of building energy consumption takes an important role. In order to achieve buildings with yearly net zero energy, integrating energy production such as Building-Integrated Photovoltaic (BIPV) can be a low cost solution. However storage elements become necessary to optimize their functioning in terms of energies exchanges. This paper is focused on electrochemical storage elements; their modeling in order to choose the best one in term of efficiency and lifetime. To simulate their behavior in the context of BIPV, a simple model must be designed to take into account the complexity of the system. A modeling technique for electrochemical storage elements with few parameters is presented in this paper for easy integration in building-scale simulations, which aims to be easily adaptable to new technologies and future evolutions of energy storage elements. The ADREAM building of LAAS-CNRS, a ZEB research platform and demonstrator, provides the necessary experimental data for this work

COMPARISON OF ELECTRICAL ENERGY PRODUCTION USING TWO SOLAR IRRADIATION MODELS OF BIPV

International audienceAmid growing needs for sustainable buildings and renewable energies, this paper presents a comparison between two different approaches of solar irradiation models for the production of electrical energy from photovoltaic (PV) panels. This project aims to evaluate the electrical energy produced from the sustainable building ADREAM, located in LAAS-CNRS, Toulouse. Initially, the Energy Simulation Software Pleiades+Comfie (P+C) was employed for the global Dynamic Thermal Modeling of the building. Thus, the P+C software served as a reliable tool for the modeling of the electrical production from the installed PV panels. In order to estimate the performance of this model, its accuracy was compared to that of an optimized solar irradiation model (Matlab), built from literature references. A description of the ADREAM building is provided, along with the methodology of the two simulations. The simulated results of PV energy production were compared to measured data. Finally, the two results were evaluated for the purpose of determining the most optimized modeling strategy. Figure 1 : Energy sources and systems installed at the building ADREAM

Solar to Hydrogen Conversion using Concentrated Multi-junction Photovoltaics and Distributed Micro-Converter Architecture

International audienceConversion of solar energy to hydrogen has been identified as a viable solution for renewable energy development known as solar fuel. LAAS (Toulouse) and RCAST (Tokyo) laboratories have associated in the framework of the NextPV LIA in order to respond to technological challenges concerning solar fuel studies in order to develop optimal sizing methodologies. A system structure for high efficiency solar to hydrogen energy conversion was developed, comprising multi-junction concentrated photovoltaic solar cells, a distributed DC/DC converter architecture, PEM electrolysis, and a battery storage buffer. Experimental results are obtained through a prototype of the proposed structure

Study of Photovoltaic Cells Implantation in a Long-Endurance Airplane Drone.

International audienceApplications of unmanned aerial vehicle (UAVs) are expanding for long-endurance mission such as agricultural inspection, fire prevention and many others. Photovoltaic cells can be added to the wing surface and extend the global endurance of the UAV. This paper builds a model of the whole system and estimates the energy savings that can be achieved for different cell technologies and different types of missions. Furthermore, the impact of airplane movement (roll) on the performance of the maximum power point tracking control algorithm (MPPT) is studied

Is Autologous Fecal Microbiota Transfer after Exclusive Enteral Nutrition in Pediatric Crohn’s Disease Patients Rational and Feasible? Data from a Feasibility Test

Background: Exclusive enteral nutrition (EEN) is a highly effective therapy for remission induction in pediatric Crohn’s disease (CD), but relapse rates after return to a regular diet are high. Autologous fecal microbiota transfer (FMT) using stool collected during EEN-induced clinical remission might represent a novel approach to maintaining the benefits of EEN. Methods: Pediatric CD patients provided fecal material at home, which was shipped at 4 °C to an FMT laboratory for FMT capsule generation and extensive pathogen safety screening. The microbial community composition of samples taken before and after shipment and after encapsulation was characterized using 16S rRNA amplicon sequencing. Results: Seven pediatric patients provided fecal material for nine test runs after at least three weeks of nutritional therapy. FMT capsules were successfully generated in 6/8 deliveries, but stool weight and consistency varied widely. Transport and processing of fecal material into FMT capsules did not fundamentally change microbial composition, but microbial richness was <30 genera in 3/9 samples. Stool safety screening was positive for potential pathogens or drug resistance genes in 8/9 test runs. Conclusions: A high pathogen burden, low-diversity microbiota, and practical deficiencies of EEN-conditioned fecal material might render autologous capsule-FMT an unsuitable approach as maintenance therapy for pediatric CD patients