Modélisation et contrôle des panneaux photovoltaïques hybrides

Modeling and control of hybrid PV thermal panels

• Auteur / Autrice : Zain Ul Abdin
• Direction : Ahmed Rachid
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur. Automatique
• Date : Soutenance le 28/09/2022
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies innovantes (Amiens ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Gaubert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Victor Becerra
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hamid Gualous, Vladan Koncar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Générateurs photovoltaïques

Stockage

Énergie solaire

Mots clés libres

Panneaux solaires hybrides

Modélisation mathématique

Conception

Optimisation

Contrôle et observation

Hybrid PV-T

Mathematical modeling

Design

Résumé

Le niveau de vie a augmenté la demande mondiale d'énergie et la consommation d'énergie fossile est considérée comme le principal facteur de l'augmentation de la température mondiale. Les énergies renouvelables sont l'un des principaux domaines d'intérêt des gouvernements de presque tous les pays. L'énergie solaire est propre et la source d'énergie la plus abondante disponible dans le monde et un système photovoltaïque thermique (PV-T) utilise l'énergie solaire et fournit en même temps de la chaleur et de l'électricité à faible émission de carbone. Différents moyens d'extraction de chaleur, des configurations de conception hybrides et les principales applications des collecteurs PV-T hybrides sont abordés pour mettre en évidence leur faisabilité et leur utilité. L'objectif de ce travail de thèse est la modélisation, la conception, l'optimisation et le contrôle d'un collecteur PV-T hybride. La modélisation des différentes configurations de collecteurs hybrides PV-T a été réalisée et étudiée en détail. Cela nécessite une étude approfondie des transferts de chaleur entre les composants du collecteur, l'approche proposée est basée sur une technique de graphe de liaison qui est un outil générique et général pour représenter les transferts thermiques. Une véritable application d'ingénierie, un séchoir solaire basé sur le collecteur PV-T et la récupération de la chaleur perdue ainsi que la recirculation de l'air est également étudiée. La thèse présente une nouvelle conception d'un collecteur PV-T qui intègre un réservoir de stockage de la chaleur ainsi qu'une résistance électrique pour augmenter la production thermique lorsque cela est nécessaire. La simulation numérique de la dynamique des fluides d'un système et la validation ultérieure de la conception proposée sont ensuite présentées. Cette étude porte également sur l'évaluation de l'influence des paramètres géométriques internes. Les résultats obtenus permettent d'analyser l'utilité du design proposé et d'en valider la viabilité. L'optimisation de tels systèmes est importante afin d'obtenir un rendement maximal : le plus d'énergie possible à moindre coût et cela nécessite d'analyser l'effet de divers paramètres. La plage de température du collecteur doit être contrôlée et les modèles développés sont appliqués à des fins de contrôle et d'observation. La température de sortie a été contrôlée à l'aide d'une variété de contrôleurs qui sont : un contrôleur PI simple, un contrôleur H-infinity et un contrôleur à mode glissant. De plus, un modèle multiple est construit et un observateur est conçu pour estimer les états du modèle multiple. Un observateur d'état avec une entrée inconnue est également développé, une amélioration de la conception. Il a été démontré que les contrôleurs conçus suivent les points de consigne souhaités et que les observateurs proposés estiment les états du collecteur, affichant ainsi l'efficacité. Enfin, le collecteur thermique PV-T a été modélisé en utilisant un réseau de neurones artificiels et utilisé à des fins de contrôle

The standard of living has risen the global energy demand and fossil fuel energy usage is considered the main factor for the rise in global temperature. Renewable energy has been one of the main areas of interest by governments of nearly all countries. Solar energy is clean and the most abundant energy source available around the globe and a photovoltaic thermal (PV-T) system uses solar energy and provides heat and low carbon electricity at the same time. Different heat extraction mediums, hybrid design configurations and the main applications of PV-T collectors are addressed to highlight their feasibility and usefulness. The focus of this thesis work is the modeling, design, optimization, and control of a hybrid PV-T collector. The modeling of the different configurations of hybrid PV-T collectors was conducted and studied in detail. It requires a thorough study of heat transfer between the collector's components and the proposed approach is based on a bond graph technique which is a generic and general tool to represent thermal transfers. A real engineering application, a solar dryer based on the PV-T collector and waste heat recovery along with air recirculation is also investigated. The thesis presents a new design of a PV-T collector that incorporates a storage tank to store heat as well as an electrical resistance to increase thermal production when necessary. Computational fluid dynamics (CFD) simulation of a system and the subsequent validation of the proposed design are then presented. This study also focuses on assessing the influence of internal geometrical parameters. The achieved results permit to analyze the usefulness of the proposed design and validate the viability. Optimization of such systems is highly important in order to get maximum output that is the most energy with lower cost and this requires analyzing the effect of various parameters. The temperature range of the collector must be controlled and the developed models are applied for the purpose of control and observation. The output temperature was controlled using a variety of controllers that are; a simple PI controller, H-infinity controller and sliding mode controller (SMC). Moreover, a multiple model is constructed and an observer is designed for estimating the states of the multiple model. A state observer with an unknown input is also developed, an improvement in the design. It was shown that the designed controllers track the desired set points and the proposed observers estimate the states of the collector, thus displaying the effectiveness. Finally, the hybrid PV-T collector was modeled by using artificial neural network (ANN) and also used for the purpose of control