Caractérisation et simulation de systèmes de production et de stockage d’énergie embarqués dans un drone solaire autonome : simulateur énergétique pour drone solaire autonome

Modelling of electrochemical storage and photovoltaic production in an autonomous solar drone

• Auteur / Autrice : Mickaël Cosson
• Direction : Ahmed Rhallabi, Philippe Poizot, Ludovic Arzel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/01/2022
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Anne Talneau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alain Dollet, Philippe Blanc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Drones

Électrification photovoltaïque

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

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Résumé

Cette thèse porte sur l’étude d’un système de gestion de l’énergie d’un drone alimenté par l’énergie solaire et de batteries de stockage au travers du développement d’un simulateur énergétique modélisant son comportement. L’étude se porte sur un drone solaire à aile tandem, ce dernier est équipé de quatre ailes dont les surfaces sont recouvertes par des panneaux solaires composés de cellules de types couches minces en arséniure de gallium (III-V). De plus, deux packs batteries lithium-ion embarqués dans le drone assurent une bonne autonomie en vol. La méthodologie du design du simulateur est basée sur l’interface entre des modèles équivalents électriques et mathématiques afin d’évaluer la quantité d’illumination sur les ailes, la production photovoltaïque et la charge et décharge des batteries. Une attention particulière a été apportée à la mesure sur les éléments constituant le drone solaire dans le processus de modélisation. Ces mesures ont permis d’extraire des paramètres équivalents afin d’alimenter le simulateur. Ce simulateur permet de prédire la puissance solaire effective produite par les panneaux solaires et la tension des batteries pendant le vol du drone. Les paramètres du vol tels que l’irradiance, les angles d’inclinaison du soleil et les angles d’Euler du drone ont été intégrés comme données d’entrée du simulateur. Une validation de celui-ci est assurée grâce au comparatif avec un vol réel effectué par le drone. Une étude paramétrique est également menée présentant l’effet des conditions climatiques et géographiques sur la durée de vol du drone.

This thesis deals with a drone supplied by solar energy through the development of an energy simulator modelling its behavior during flight. The study focuses on a tandem wings UAV, the latter is equipped by four wings for which their respective surface areas are covered by solar panels based thin film gallium arsenide photovoltaic cells (III-V). Moreover, the drone is embedded with two lithium-ion battery packs to achieve a good flight duration. The design methodology for this work is built around the interface between electrical equivalent and mathematical models to evaluate the irradiance fraction on the wings, the photovoltaic production and the charge/discharge of the batteries. An extensive study was performed on the measurements of the energetic systems in the modeling process This data allowed the extraction of the equivalent parameters of the models improving the simulator. This simulator allows the prediction of effective photovoltaic power produced by the solar panels and the battery voltage during the drone flight. Flight parameters such as irradiance, Sun inclination angle and drone Euler angles have been considered as input parameters of the simulator and reported as function of the flight time. A validation process is performed with a comparison between a real flight operated by the UAV and the same simulated flight. Moreover, a parametric study is presented in order to evaluate the effect of both the climatic and geographical conditions on the flight duration.