Dissertations / Theses on the topic 'Moteurs Stirling'

Le moteur stirling connait, depuis quelques annees, un important regain d'interet, essentiellement lie a son rendement eleve, a son caractere peu polluant et a sa grande adaptabilite a tout type de source de chaleur. L'absence de techniques de modelisation appropriees et de predictions theoriques valables des performances des moteurs stirling constitue actuellement un handicap majeur pour le developpement de ces machines. Nous avons developpe deux modelisations dynamiques de moteurs stirling cinematiques. Ces modeles conduisent a l'ecriture d'importants systemes d'equations algebro-differentielles, etablis et resolus a l'aide d'un environnement de simulation. Cette approche nous a permis de simuler de veritables comportements transitoires et de creer une bibliotheque de modeles permettant l'archivage et la reutilisabilite des modeles. La tres grande souplesse de l'outil de simulation developpe est mise en evidence dans l'etude de la variation de la charge d'un moteur stirling cinematique. Par ailleurs, nous montrons aussi que les performances predites par les modeles sont tres dependantes des valeurs instantanees des coefficients de transfert thermique dans les tubes des echangeurs de chaleur du moteur. Or, il apparait clairement que ces coefficients sont mal connus, du fait de la nature hautement instationnaire de l'ecoulement dans ces echangeurs. Aussi, nous presentons ensuite une etude numerique de ce type d'ecoulements avec comme resultats une meilleure caracterisation des longueurs d'entrees hydrodynamiques, ainsi que du transfert de chaleur en ecoulement oscillant, laminaire incompressible en conduite cylindrique

Dans le contexte énergétique actuel, nous assistons au développement de technologies de production d'énergie « propre ». Ainsi, de nouvelles perspectives comme la conversion thermodynamique de l'énergie solaire ou la valorisation des déchets sont offertes à la recherche sur les « énergies renouvelables ». Dans ce cadre, nous nous intéressons aux moteurs thermiques à apport de chaleur externe : les moteurs Stirling et Ericsson.
Cette thèse porte tout d'abord sur l'étude d'un petit moteur Stirling sur lequel nous avons mesuré la température instantanée et la pression instantanée en différents points. Les résultats tout à fait originaux obtenus ont été confrontés aux résultats issus de deux analyses différentes. Nous avons conclu à l'inadéquation de ces modèles.
Ensuite, nous avons étudié un système de micro-cogénération basé sur un moteur Ericsson couple à un système de combustion de gaz naturel. Un moteur Ericsson est une machine alternative fonctionnant selon un cycle thermodynamique de JOULE. L'objectif de ce système est de produire 11 kW de puissance électrique ainsi que de la chaleur utile. Dans le but de dimensionner ce système, nous avons réalisé des études énergétique, exergétique et exergo-économique de cet ensemble.

"Les moteurs alternatifs de type Stirling, sont des moteurs à "air chaud" qui ont la particularité d'être à apport de chaleur externe. Capables d'une grande souplesse d'adaptation et d’utiliser des sources de chaleur variées, ils constituent, dans l'optique du développement durable, une alternative à prendre en compte pour une conversion efficace des chaleurs perdues, de l’énergie solaire et des bio-énergies en travail mécanique. En plus de leur rendement théorique égal à celui de Carnot, ils sont capables de fonctionner avec une faible différence des températures de leurs deux réservoirs de chaleur (Low Temperature Differential : LTD). Ils peuvent ainsi récupérer et convertir en travail les chaleurs perdues dans les procédés industriels ou dans les machines thermiques. Leur configuration géométrique peut être très simple : 2 volumes variables reliés par une conduite. Cette thèse porte sur l’étude des moteurs Stirling à faible différence des températures, en particulier leur modélisation, leur simulation à 0, 1 ou 2 dimensions, leur optimisation et la comparaison avec les résultats de l’expérience. L’étude a été décomposée comme suit : - une analyse énergétique du cycle moteur de Stirling, selon la thermodynamique à échelle finie (TEF), avec des réservoirs infinis (températures constantes des sources, chaude et froide) a été entreprise et a débouché sur la mise en évidence de grandeurs caractéristiques, dimensionnées ou non, et sur une optimisation sous contraintes physiques (pmax, Vmax, Tmax, …). - une analyse énergétique, entropique et exergétique des échangeurs chaud et froid, séparément, puis globale du moteur a été présentée. Cette nouvelle analyse a été réalisée toujours selon la TEF mais en considérant des réservoirs finis (températures variables au niveau des sources). Des modèles d’optimisation du fonctionnement du moteur ont été développés, avec une contrainte sur la surface totale d’échange de chaleur des échangeurs. L’approche utilisée a permis de montrer l’influence de la surface finie et des capacités finies des échangeurs sur l’optimum de fonctionnement de la machine et de définir la distribution optimale de la surface d’échange entre les échangeurs de chaleur. - un modèle numérique 0-D décrivant l’évolution des variables (pression, volumes, masses, énergies échangées, irréversibilités…) en fonction de l’angle de vilebrequin dans le cas d’un moteur LTD a été développé en respectant les hypothèses de Schmidt : températures constantes dans les espaces chaud et froid et pression instantanée uniforme du gaz de travail. Ce modèle fournit les bilans énergétique, entropique et exergétique, dans les espaces chaud (détente), froid (compression) et de régénération. - une simulation dynamique 1-D satisfaisante a été faite à l’aide d’un logiciel du commerce (AMESim), mais cette fois-ci sans aucune hypothèse réductrice sur les températures et les pressions. - une simulation 2-D plus complète des transferts d'énergies, de quantité de mouvement et de masse des écoulements compressibles a été réalisée avec un logiciel multiphysique à maillage mobile (COMSOL) dans le cas de ce même moteur LTD, en supposant la régénération nulle. Cette simulation nous a permis d'obtenir les valeurs instantanées des variables locales en régime établi : pression, température, vitesse et volume. - une confrontation des résultats des modèles 0-D, 1-D et 2-D avec les résultats expérimentaux obtenus sur un moteur réel de notre laboratoire nous a permis de conclure à une bonne corrélation entre ces résultats, en particulier avec ceux du modèle 1-D. De plus, l’existence de 2 régimes de transfert de chaleur en fonction de la vitesse de rotation a été mise en évidence et des équations représentatives ont été proposées. "
Stirling engines are "hot air" engines to which heat is provided from an outside source. Able of great flexibility and of any heat source use, they are an alternative, to be taken into account within the sustainable development perspective, for the effective conversion of waste heat or solar- or bio- energies into mechanical work. Their theoretical efficiency equal to Carnot efficiency and their ability to work with small temperature differences between their two heat reservoirs (“Low Temperature Differential”, LTD) enable them to recover and convert waste heat issued from industrial processes and thermal machines into mechanical work. Their geometrical configuration can be very simple : 2 variable closed volumes only connected by a duct. The aim of this thesis is the study of the LTD Stirling engine, particularly its modeling, its simulation (0-D, 1-D or 2-D), its optimization and the comparison with the experimental results. This study was decomposed as follows : - an energy analysis of the cycle of the Stirling engine with infinite reservoirs (constant temperatures of the hot source and cold sink), accordingly to the finite scale thermodynamics (FScT) methods, was carried out and extended to an optimization with physical constraints (pmax, Vmax, Tmax, …). Characteristic numbers, dimensioned or not, were put to evidence. - an energy, entropy and exergy analysis of the heat exchangers, hot and cold separately, and, then, of the whole engine is presented. This new analysis was carried out, once more accordingly to the finite scale thermodynamics methods, by considering finite reservoirs. Models for the engine optimization are developed, with a constraint on the total heat transfer surface of the exchangers. The used approach makes it possible to highlight the influence of the finite surface and finite capacities of the exchangers on the optimum of the engine operation characteristics and on the optimal distribution of the heat- transferring surface between the heat exchangers. - a 0-D numerical model describing the evolution of the internal variables (pressure, volumes, masses, exchanged energies, irreversibilities…) as function of the crankshaft angle was developed, in the case of an LTD engine, in accordance to Schmidt assumptions : constant temperature in hot and cold volumes and instantaneous uniform gas pressure. This model gives the energy-, entropy- and exergy balance in the three spaces : hot expansion volume, cold compression volume and regenerator. - a satisfying 1-D dynamic modeling was done with the help of a commercial software (AMESim), and, this time, without any restrictive assumption on the temperatures and pressures. - a more complete 2-D simulation of energy-, mass- and momentum transfer of the compressible working-gas flow was carried out using a multiphysics software (COMSOL) for this LTD Stirling engine assuming a null regeneration. This analysis enabled us to obtain the instantaneous values of the local variables in steady-state operation mode : pressure, temperature, speed and volume. - the results of the 0-D, 1-D and 2-D models were compared with the experimental results obtained from an actual engine of our laboratory. We thus concluded there is a good correlation between the results obtained from these models, particularly the 1-D model, and those of the experiments. Furthermore, 2 heat transfer regimes were detected depending on the speed of revolution and equations were proposed to represent them

Plusieurs machines actuellement utilisées, moteurs à combustion interne en automobile ou centrales thermiques dans l'énergie, rejettent de grandes quantités de chaleur. Généralement cette chaleur est dissipée dans l'atmosphère et son énergie perdue. Nous nous sommes donc intéressés aux moteurs à apport de chaleur externe dont l'énergie primaire est de l'énergie thermique, et plus particulièrement aux moteurs Stirling. L'une de ses principales caractéristiques est d'utiliser de la chaleur produite extérieurement comme source d'énergie. Ceci lui permet d'être multi-carburant et même d'utiliser de l'énergie thermique naturelle.L'étude menée comporte deux parties. Tout d'abord un modèle numérique zéro dimension, trois zones en temps fini a été développé. Il prend en compte les échanges thermiques aux parois et les pertes de charge, mais ne préjuge ni des dimensions moteur, ni des conditions de fonctionnement. Ceci lui permet de rester flexible pour s'adapter à l'architecture spécifique du moteur à simuler. Ensuite nous avons réalisé des mesures expérimentales sur deux moteurs de taille et puissance différentes (quelques watts et 1 kW). Ces résultats ont permis de valider le modèle. Au final nous avons obtenu un modèle numérique traduisant l'influence de paramètres dimensionnels et fonctionnels sur la puissance du moteur Stirling.Un outil d'aide à la conception de moteur Stirling a été développé en ajoutant au modèle un algorithme d'optimisation. Il permet une ébauche des caractéristiques d'un moteur Stirling. En fonction de l'application souhaitée et des contraintes s'y appliquant, il agit sur les caractéristiques choisies par l'utilisateur pour maximiser les performances.

Dans ce travail, un moteur Stirling de type Gamma alimenté par énergie solaire avec une faible différence de température a été étudié numériquement et expérimentalement. Un nouveau modèle appelé Polytropic Stirling Model with Losses (PSML) a été proposé et appliqué au moteur GPU-3 Stirling. Un cryoréfrigérateur basé sur un moteur Stirling intégral de type Alpha a été étudié numériquement, après avoir mesuré ses dimensions géométriques au laboratoire. Pour le moteur Stirling de type gamma du laboratoire, le modèle ait thermodynamique à vitesse finie et le modèle isotherme a été développé, incluant les bilans de masse et d’énergie à travers les différents volumes (compression, régénération et expansion) dans le moteur. Différents types de pertes thermiques et mécaniques ont été considérés dans le modèle afin d'analyser les processus thermodynamiques et les pertes dans le moteur Stirling. En outre, des études paramétriques sur les performances du moteur Stirling alimenté à l’énergie solaire ont également été étudiées expérimentalement et numériquement. La comparaison entre les résultats expérimentaux et les résultats de simulation à différents déphasages entre le déplaceur et le piston, et à différentes course de piston montre que le modèle est convaincant dans la prédiction des performances du moteur Stirling. Basé sur la méthode thermodynamique en dimension physique finie, une méthode d’algorithme génétique multi-objectives, objectifs étant la puissance fournie, le rendement énergétique et le taux de génération d'entropie a été utilisé pour optimiser la fonction et la géométrie du moteur du type Gamma. En comparant avec la méthode d'optimisation écologique, la méthode multi-objectif permet de mieux équilibrer les trois objectifs. Le nouveau modèle (PSML) proposé pour prédire les performances du moteur de type Bêta ou Gamma du moteur Stirling, il divise l'espace de travail en 5 parties (volume de compression, refroidisseur, régénérateur, chauffage et volume d'extension). Une liaison entre volume de compression et volume d'extension a été ajoutée dans le modèle adiabatique classique du moteur Stirling. Ainsi, des processus polytropiques ont été considérés dans les volumes de compression et d'expansion du moteur Stirling. Le moteur Stirling GPU-3 a été utilisé pour valider le nouveau modèle. Il a été démontré que le nouveau modèle (PSML) prédit correctement la puissance de sortie et le rendement du moteur. Dans la dernière partie de la thèse, un Cryorefroidisseur Stirling de type Alpha, a été étudié en utilisant un modèle isotherme prenant en considération différentes pertes. Les volumes de compression et d'expansion sont considérés isothermes, et la variation de la température du régénérateur est considéré linéaire. Les bilans d'énergie et d'exergie du Cryorefroidisseur ont été réalisés, et l'effet de divers paramètres sur la performance (puissance de refroidissement et puissance mécanique consommée) est étudié. Les résultats de la simulation pour PPG-102 Stirling cryocooler ont été comparés avec deux autres résultats de simulation de la littérature et des résultats expérimentaux indiquant que ce modèle est convaincant pour prédire la performance du Cryorefroidisseur
In this work a solar powered low temperature difference Gamma type Stirling engine has been studied experimentally and numerically using an isothermal model coupled with various losses and using an objective optimization. A new model named Polytropic Stirling Model with Losses (PSML) has been proposed which was applied to the Beta type GPU-3 Stirling engine. An Alpha type integral Stirling cryocooler has been studied numerically using an isothermal model with losses. To study a Gamma type Stirling engine of our laboratory, an isothermal model coupled with finite speed method has been developed, including mass and energy balances through different spaces of the engine. The engine is divided into 3 volumes: compression volume, regeneration volume, and expansion volume. Different kind of thermal and mechanical losses have been considered in the model, in order to analyze thermodynamic processes and losses in the Stirling Engine. In addition, parameter effects on the performance of the solar powered gamma type Stirling engine have also been studied experimentally and numerically. The comparison between the experimental results and the simulation results at different phase shift between the displacer and the piston, and at different piston stroke shows that the model is convincing to predict the Stirling engine performance. Based on the Finite Physical Dimensional Thermodynamic method, a multi-objective genetic method considering output power, thermal efficiency and entropy generating rate as objective functions simultaneously, has been used to multi-objective optimize the Gamma type Stirling engine. Comparing with the ecological optimization method, the multi-objective method can better balance the three objective goals. The new model (PSML) proposed in the thesis for predicting performance of Beta or Gamma type of Stirling engine divides the working space into 5 parts (compression volume, cooler, regenerator, heater, and expansion volume). A bypass linking compression volume and expansion volume has been added in the classic adiabatic model of Stirling engine. Thus, polytropic processes have been considered in the compression and expansion volumes of the Stirling engine. The GPU-3 Stirling engine has been used to validate the new model. It was shown that the new model (PSML) predict well the output power and the thermal efficiency of the engine well. An isothermal model considering various losses was developed and presented in the last part of this thesis to study an Alpha type Stirling cryocooler, whose geometrical dimensions were measured in our laboratory. The compression and expansion volumes are supposed to be isothermal, the variation of the regenerator temperature is supposed to be linear. Energy and exergy balances of the cryocooler were developed. The effect of various parameters on the cryocooler performance (cooling power and input power) are investigated. The simulation results for PPG-102 Stirling cryocooler were compared with two other simulation results of the literature and with experimental results which indicated that this model is convincing to predict the performance of the Stirling cyocooler

Ce travail concerne l'analyse expérimentale des flux de chaleur instationnaires au sein d'une machine frigorifique de Stirling ainsi que l'étude paramétrée de son fonctionnement. Un premier modèle théorique du cycle est développé dans le but de dimensionner et de réaliser la machine frigorifique. L'instrumentation ainsi que les méthodes d'étalonnages dynamiques des capteurs de pression et de température sont présentées. L'étude des échanges de chaleur entre le gaz et les différents volumes de la machine est menée suivant deux directions. Une première analyse monodimensionnelle, de type local, fait apparaître, à travers une écriture complexe, le déphasage existant entre le flux de chaleur et la différence de température entre le gaz et la paroi. Une deuxième analyse, de type global, permet d'établir les performances de la machine sous forme paramétrée, à partir d'un bilan thermodynamique appliqué aux trois volumes de la machine. Les mesures sont finalement comparées aux différents résultats théoriques et montrent que les performances de la machine croissent avec la pression, l'efficacité du régénérateur et chutent avec le volume mort. Les performances optimales sont réalisées pour un déphasage de 60ʿ entre les volumes de compression et de détente
This report describes the results of an experimental study of instationary heat fluxes which occur in a refrigerating Stirling machine. A theoretical model is developed to establish a design concept of the machine. Calibration methods are presented to determine dynamical characteristics of pressure and temperature transducers. Heat transfer between gas and differents volume elements of the machine is described. A local monodimensional method analyses heat fluxes in term of complex Nusselt number and shows that heat flux is out of phase with bulk gas-wall temperature difference. The first law for an open thermodynamic system is applied to the three volumes of the machine and determine the performances of it. Data from the experimental setup are compared to the different theoretical results and show that optimal performances are obtained for high pressure level, high regenerator efficiency and low dead space volume. The optimal phase lag between expansion and compression volumes is 60ʿ to achieve best performances

Le présent travail concerne l’étude thermique et fluidique d’un régénérateur thermique de moteur Stirling aux échelles millimétrique et micrométrique. Il s’intègre dans le cadre du projet MISTIC (Micro Stirling Clusters) financé par l’ANR. Le régénérateur thermique étudié permet de limiter les apports en énergie externe au système en recyclant la quantité de chaleur rejetée pendant le cycle thermodynamique. La conception des structures miniatures du régénérateur a été conditionnée par le procédé de fabrication choisi.Les porosités étudiées varient entre ε = 0, 8 et 0, 9 pour un facteur de forme égal à F.F = 0, 3. A l’issue des simulations numériques et des essais expérimentaux réalisés sur les prototypes micrométrique et millimétrique du régénérateur, nous avons pu mettre en évidence respectivement l’effet de la porosité, de la course du piston, des fréquences d’écoulement et du gradient thermique imposé sur les performances thermofluidiques du régénérateur. Par ailleurs, des corrélations du coefficient de perte de charge ont été établies et confrontées à celles présentes dans la littérature. Nous avons également quantifié la puissance de pompage requise pour la circulation alternative du fluide pendant un cycle thermique qui s’est avérée tributaire de la porosité, de la course du piston ainsi que de la fréquence de l’écoulement. Le calcul des efficacités thermiques du régénérateur a été menée sur les deux phases d’accumulation et de restitution de l’énergie thermique au cours du cycle thermodynamique. Nous avons établi une diminution de l’efficacité thermique en fonction du nombre de Reynolds de l’écoulement sans pour autant obtenir de résultats concluants quant à l’effet de la porosité. Une estimation de la figure de mérite a montré une tendance globale croissante du rapport pertes de charges/transferts thermiques en fonction du nombre de Reynolds de l’écoulement
The present work presents a thermofluidic study of a Stirling engine regenerator both at the micro and millimeter scales within the framework of the MISTIC (Micro Stirling Clusters) project financed by the ANR. The studied thermal regenerator allows to limit external energy supply to the system by recycling the heat rejected during the thermodynamic cycle. It is composed of a staggered-pillars matrix crossed by an oscillatory gas flow. The design of the miniature structures of the regenerator was conditioned by the chosen manufacturing process. The micro-regenerator design was conditioned by the chosen manufacturing process. The investigated porosities vary between ε = 0.8 and 0.9 for a shape factor equal to F.F = 0.3. The numerical simulations and experimental results for both prototype scales highlight the effects of the porosity, the piston stroke, the gas flow frequencies and the thermal gradient on the regenerator thermofluidic performances. Besides, correlations of the pressure loss coefficient were established and confronted with those available in the literature. We also calculated the pumping power required during a thermal cycle which depends on the porosity, the piston stroke as well as the gas flow frequency. The calculation of thermal efficiencies of the regenerator was led on both phases of heat store and heat refund. We established a decrease of the thermal efficiency according to the number of Reynolds, no concluding results were obtained for the effect of the porosity. A rough estimation of the figure of merit showed an increase of the pressure drop to thermal heat loss ratio according to an increasing Reynolds number of the gas flow

Dans le contexte énergétique et environnemental actuel, il devient capital de développer des solutions énergétiques "propres". Le travail réalisé dans cette thèse consiste en la recherche d'une nouvelle solution thermodynamique de conversion de l'énergie solaire pour la production d'électricité de faible puissance (< 50 kW) adaptée aux applications de cogénération. De technologie simple et accessible aux pays en voie de développement, le système doit pouvoir concurrencer les procédés existants : photovoltaïques et Dish-Stirling. Une classification des systèmes générateurs d'énergie motrice, réalisée à partir d'un "caryotype", permet de répertorier les solutions thermodynamiques envisageables pour la conversion de l'énergie solaire. Le système finalement choisi est basé sur le couplage d'un moteur Ericsson en cycle ouvert avec un capteur cylindro-parabolique de conception simple. Une première étude théorique des performances énergétiques et exergétiques instantanées de ce système est complétée par une analyse des performances en condition d'ensoleillement réel, avec et sans stockage thermique, puis pour deux localisations, l'une en France, l'autre en Algérie. Ces analyses conduisent au dimensionnement d'installations et à l'évaluation des performances journalières mensuelles et annuelles. Enfin, une analyse expérimentale permet de caractériser les aspects liés aux transferts thermiques dans le capteur solaire cylindro-parabolique. Le travail réalisé démontre finalement l'intérêt d'un tel système et encourage à poursuivre les investigations dans cette voie
Nowadays, in our energy and environmental context, one of our major problems is the development of "clean" energy solutions. The subject of this thesis consists in the research of a new solution of thermodynamic solar energy conversion, in order to produce low power electricity (< 50 kW) adapted to cogeneration. The technology has to be simple and suitable for developing countries. The system must be able to become a challenge to the existing processes: i. E. Photovoltaïc or dish Stirling systems. A general classification of small size power system, realized from a "karyotype", allows to list the possible solutions for solar energy conversion. The system finally chosen is based on the coupling of an Ericsson engine in opened cycle with a simple parabolic trough collector. A first theoretical analysis of the energetic and exergetic performances of the system is completed by an analysis of the power plant performances during a real period of sunshine, with and without thermal storage, then for two locations, the first one in France, the other in Algeria. These analyses lead to the sizing of the system and the evaluation of the monthly and annual daily performances. Finally an experimental analysis allows to characterize the thermal transfers in the parabolic trough solar collector

Après avoir fait un bilan bibliographique des réalisations, des modèles analytiques et numériques dumoteur Stirling, on fait un point sur les applications possibles de ce moteur ce qui permet de décrire lecontexte de cette thèse : la cogénération.Les éléments historiques de la bibliographie montrent que le régénérateur est un des éléments essentielssur lequel on peut travailler pour améliorer les performances d’un moteur Stirling.Suite à cela on fait une proposition d’architecture moteur potentiellement capable d’apporter desaméliorations sur 3 difficultés essentielles dans la conception d’un tel moteur.Parmi ces 3 éléments, l’un d’eux concerne le régénérateur qui est alors re-baptisé « partageur »poursignifier sa particularité.La suite des travaux évalue le bénéfice que pourrait apporter le partageur sur le rendement du moteur.On réalise alors une double évaluation de l’effet du partageur au moyen d’un modèle analytique et d’unmodèle numérique. On aura au préalable décrit les bases de ces modèles et les modifications apportées.La conclusion n’est pas qu’un bilan des résultats et propose des perspectives originales qui vont bienau-delà de ce qui peut être fait actuellement en mécanique
After a state-of-the art presentation on achievements, analytical and numerical models of the Stirlingengine, we analyze the possible applications of this engine which allows describing the context of thisthesis : the cogeneration.Historical elements of the bibliography show that the regenerator is a key element on which we canwork to improve the performance of a Stirling engine.After that we make a proposal for engine design that is potentially able to make improvements on threekey challenges in designing such an engine.One of the three elements is the regenerator, named here sharer.Further work shows the potential benefit that the sharer could bring on the engine performance.A double assessment of the effect of the sharer using an analytical model and a numerical model isthen carried out. We precisely describe the basics of these models and propose modifications.The conclusion is not only an assessment of results but it offers original insights that could go beyondwhat can be done now in mechanical engineering

Le moteur Stirling a été développé il y’a 200 ans. Cependant son développement n’a jamais connu un grand essor. Le contexte énergétique actuel a relancé l’intérêt porté à ces machines. En effet la possibilité de le faire fonctionner à partir de n’importe quelle source de chaleur externe lui permet d’être associé à des sources d’énergie renouvelable comme l’énergie solaire. Au-delà des avantages écologiques, le développement par W. Beale à la fin des années 1960 d’un moteur Stirling à pistons libres (ou FPSE pour Free Piston Stirling Engine) a ajouté de nouveaux intérêts à un tel moteur. Cette nouvelle architecture permet au moteur de fonctionner sans système d’entrainement des pistons. Dans de telles machines, le mouvement des pistons n’est plus déterminé par la géométrie du système d’entrainement. Ces derniers sont mis en mouvement par les forces de pressions occurrents à l’intérieur du moteur. La dynamique des pistons et la thermodynamique du système sont alors couplées, rendant plus complexe la modélisation complète du système.Cette thèse présente une nouvelle technique de modélisation des machines Stirling à pistons libres, intitulée LHA5V pour Linear Harmonic Analysis 5 Volumes, permettant de coupler la thermodynamique du système et la réponse mécanique des pistons libres. Celle-ci repose alors sur la décomposition du moteur Stirling en cinq sous systèmes ouverts : deux espaces à volume variables, deux échangeurs de chaleur et le régénérateur. Nous supposons que les variables d’état varient périodiquement et le modèle détermine comment celles-ci varient en valeur moyenne, en amplitude et en phase afin de satisfaire les équations de conservation de la masse et de l’énergie. L’aspect innovant du modèle thermique repose sur la prise en compte implicite des pertes inhérentes au fonctionnement. Celles-ci ont en effet un impact direct sur le mouvement des pistons. Par ailleurs cette thèse présente également un modèle de génératrice électrique linéaire pouvant être couplé à la partie thermique. Le modèle électrique repose sur un calcul analytique de la force de poussée du stator sur la partie mobile. Le calcul des flux et du niveau d’induction dans le circuit magnétique est effectué à partir d’un réseau de perméances judicieusement paramétré.Que ce soit pour la modélisation thermique ou la modélisation électrique, chacun des modèles a été conçu pour avoir un temps de calcul faible, tout en restant le plus précis possible sur la prédiction des performances. Ceux-ci ont à chaque fois été confrontés à des données expérimentales, ou à d’autres techniques de modélisation plus fines de façon concluante
Though the Stirling engine was invented two centuries ago, it has never really grown to a fully marketable level. The current energy context has renewed the interest in this engine. Their ability to work with any external source of heat allow them to be associated with renewable energy such as solar energy. Beyond its ecological benefits, the invention of the free piston Stirling engine by W. Beale at the end of the 1960’s further increased the interest in Stirling engines. This novel structure allows the engine to operate without mechanical interface between pistons, which are driven entirely by the gas or other spring forces. In such engines, the pistons kinematics and the system thermodynamics are intimately coupled, thus increasing the complexity of the complete system computer modelling.This PhD presents an innovative technique to model a free piston Stirling engine that takes into account the coupling between the system thermodynamics and the mechanical response of the free pistons. This technique has been named LHA5V standing for Linear Harmonic Analysis 5 Volumes. It consists in splitting the engine in five open sub-systems: the compression and expansion spaces, the heater, the cooler and the regenerator. We hypothesize that the state variables are periodic, and the model then determines the variations of their mean, amplitude and phase values in order to satisfy the mass and energy conservation equations. This PhD also presents a model for a linear electric alternator, which can be coupled to the power piston. This electrical model is based on an analytical calculation of the thrust between the stator and the magnets. Magnetic flux and induction in the iron are determined by a carefully tuned reluctance network.Both thermal and electrical models have been designed to optimize both computing time and accuracy. The models generated have systematically been compared to experimental data or finite element analysis, with satisfactory results

En France, on estime que plus de 27 TWh de chaleur à une température comprise entre 100 et 200°C sont perdus chaque année. La récupération de cette chaleur perdue est donc un enjeu important pour réduire la consommation globale d'énergie. La récupération de la chaleur peut se faire à l'aide de machines de Stirling, qui sont des machines thermodynamiques réversibles convertissant la chaleur en mouvement mécanique - lequel pourrait ensuite être converti en électricité - à partir de deux sources de température suffisamment différentes. La récupération de la chaleur produite par les systèmes électroniques pourrait être faite avec une machine de Stirling miniaturisée capable de produire de l'électricité à partir de n'importe quelle source de chaleur. Une telle micro-machine peut aussi fonctionner en mode "réfrigérateur" (transport de la chaleur d'une source chaude vers une source froide grâce à un travail mécanique) et pourrait être utilisée pour refroidir des composants électroniques. Le rendement énergétique des machines Stirling peut atteindre 38% (avec une source chaude à 200°C) et leur entretien est réputé être minimal. Cependant, aucune machine Stirling n'a encore été démontrée avec un volume inférieur à un centimètre cube. En 2015, une architecture de micromachine Stirling triphasée pouvant être miniaturisée grâce aux technologies MEMS a été proposée et testée avec succès en macro-volume (avec une taille d'une vingtaine de centimètres). Le présent travail de thèse a été consacré à la miniaturisation de ce nouveau concept de micromachine Stirling pour la récupération de chaleur entre 50 et 200°C, en utilisant les technologies MEMS. Cette approche permettrait la production simultanée de grandes quantités de micro-machines et donc la création éventuelle de réseaux de micromachines à faible coût par watt d'électricité produite. Les micromachines sont constituées d'un empilement de tranches de silicium et de verre. Leurs défis de conception ont été étudiés en détail et leur puissance mécanique de sortie attendue a été estimée. Les procédés de fabrication nécessaires ont été développés et la caractérisation de chaque élément a été effectuée avant l'assemblage. Elles comportent notamment des membranes hybrides de 5 mm de diamètre et de 200 microns d'épaisseur qui jouent le rôle des pistons en micro-volumes et sont des éléments clés de la micro-machine. Ces membranes sont constituées de pièces en silicium (spirales et disques) noyées dans une membrane souple en élastomère de silicone dont les propriétés mécaniques ont donc été étudiées en détail. Des simulations numériques du comportement mécanique et dynamique de ces membranes hybrides ont été présentées. L'accord entre les simulations numériques et les caractérisations a été considéré comme très satisfaisant. Ces membranes se sont révélées très robustes et le déplacement de leur centre peut atteindre 1 à 2 mm sans dommage. Leurs fréquences de résonance vont de 850 Hz à 2800 Hz et il a été montré qu'elles peuvent fonctionner à 200°C sans vieillissement. De plus, l'optimisation d'un procédé d'assemblage par thermocompression d'or (Au) a permis d’obtenir des contraintes de rupture en traction d'environ 20 à 30 MPa, parmi les meilleures rapportées dans la littérature. Des prototypes de micromachines triphasées de 20x20x8mm ont été assemblés, mais leur fonctionnement en mode moteur n'a pas pu être observé, même pour une différence de température de 100 °C. Cependant, en insérant des aimants pour provoquer le déplacement des membranes par excitation électromagnétique, il a été possible d'observer un effet de refroidissement encourageant. Grâce aux travaux réalisés, les principaux éléments de base sont maintenant disponibles et devraient permettre des optimisations ultérieures dans des conditions beaucoup plus favorables
In France, it is estimated that more than 27 TWh of heat at a temperature between 100 and 200°C is lost each year. The recovery of this lost heat is therefore an important issue in reducing overall energy consumption. Heat recovery can be done using Stirling machines, which are reversible thermodynamic machines that convert heat into mechanical motion, which could then be converted into electricity from two sufficiently different temperature sources. The recovery of the heat produced by electronic systems could be done with a miniaturized Stirling machine capable of producing electricity from any heat source. Such a micro-machine can also operate in "refrigerator" mode (transporting heat from a hot source to a cold source through mechanical work) and could be used to cool electronic components. The energy efficiency of Stirling machines can reach 38% (with a hot source at 200°C) and their maintenance is considered minimal. However, no Stirling machine has yet been demonstrated with a volume of less than one cubic centimeter. In 2015, a three-phase Stirling micromachine architecture that can be miniaturized using MEMS technologies has been proposed and successfully tested in macro-volume (with a size of about twenty centimeters). The present thesis work was devoted to the miniaturization of this new Stirling micromachine concept for heat recovery between 50 and 200°C, using MEMS technologies. This approach would allow the simultaneous fabrication of large quantities of micro-machines and thus the possible creation of micromachine networks at low cost per watt of electricity produced. The studied micromachines are made up of a stack of silicon and glass wafers. Their design challenges have been studied in detail and their expected mechanical output power has been estimated. The necessary manufacturing processes were developed and the characterization of each element was carried out prior to assembly. In particular, they include hybrid membranes 5 mm in diameter and 200 microns thick that act as micro-volume pistons and are key elements of the machine. These membranes are made up of silicon parts (spirals and discs) embedded in a flexible silicone elastomer membrane whose mechanical properties have therefore been studied in detail. Numerical simulations of the mechanical and dynamic behavior of these hybrid membranes were presented. The agreement between the numerical simulations and the characterizations was considered to be very satisfactory. These membranes proved to be very robust and the displacement of their center can reach 1 to 2 mm without damage. Their resonance frequencies range from 850 Hz to 2800 Hz and it was shown that they can operate at 200°C without aging. In addition, the optimization of a gold thermocompression assembly process has resulted in tensile breaking stresses of about 20-30 MPa, among the best reported in the literature. Prototype of 20x20x8mm three-phase micromachines were assembled, but their operation in motor mode could not be observed, even for a temperature difference of 100°C. However, when magnets were inserted to induce the displacement of the membranes by electromagnetic excitation, it was possible to observe an encouraging cooling effect. As a result of the work carried out, the main basic elements are now available and should allow further optimization under much more favorable conditions

Encadré par la thématique dans le domaine d'intérêt de l'Energétique-Environnement ce travail a abordé une direction de recherche d'actualité centrée sur l'optimisation du moteur de Stirling qui fonctionne selon un cycle avec des irreversibilités internes et externes. La première partie du mémoire rend compte des modèles d'optimisation du cycle avec irreversibilités thermiques et les conséquences sur la distribution de la conductance ou de la surface d'échange entre les échangeurs de chaleur de la machine. Ces modèles ont permis d'étudier l'influence du type de la source et du puits (thermostat ou capacité finie), de la forme de la loi de transfert de chaleur considérée (linéaire ou non linéaire), de la présence du régénérateur (échangeur en co-courant ou contre-courant) par sa conductance ou surface d'échange thermique parmi les variables du modèle, de l'influence des divers paralètres sur les performances de la machine. [. . . ]

En ce début de millénaire 1,4 Milliards d'humains, parmi les plus démunis de la planète, vivent dans des sites isolés et ne bénéficient pas de réseaux de distribution d'énergie. Leur besoin en électricité est modeste, mais important en terme d'usages : accès aux soins médicaux et à l'instruction, communication, développement d'économies locales. C'est face à ce constat que Schneider Electric Industries relève, depuis 2009, le défi de concevoir et réaliser des microcentrales solaires thermodynamiques, concurrentielles à d'autres solutions, pour fournir à ces populations une énergie électrique fiable et respectueuse de l'environnement. Inscrit dans le cadre de ce projet, le présent travail - réalisé en Cifre - est séquencé par l'évolution industrielle du projet. Dans un premier temps, un Etat de l'Art, étendu à une analyse de détail, a contribué à privilégier certains choix technologiques : capteurs solaires à concentration, stockage thermique à chaleur sensible et moteur de Stirling. Dans un second temps, une étude thermodynamique préliminaire a permis d'évaluer le dimensionnement d'éléments clefs du système : champ de captage solaire et stockage thermique. En complément une étude de sensibilité paramétrique du dimensionnement et des performances à divers facteurs de pertes énergétiques a souligné les points durs techniques et participé à l'orientation des travaux de conception. Enfin, l'analyse exergétique de fonctionnement de capteurs solaires et d'un moteur Stirling en régimes dynamiques stationnaires proposent des bases pour l'optimisation de contrôle et commande, visant à accroître les performances énéergétiques du système et favoriser sa viabilité thermoéconomique
As a new millenium begins, 1.4 Billion people worldwide earn less than 2 dollars daily and have no access to the power grid. The need of electric power of these people represent small energy amounts but is very important regarding to the usage : acces to healthcare and education, communication, local economic development. In reponse to the situation, since 2009, Schneider Electric Industries takes up the challenge to design and realize micro solar power plants, competitive with other solutions, to supply these people with reliable and environment-friendly electricity. Dealing with this project, this work has been realized under contract, so it follows the development sequence of the industrial project. The first part is a State of the Art of the actual solar thermodynamical technologies. This task is extended to a qualitative evaluation of various technologies, as a contribution to select adapted technologies: concentrating solar thermal receivers, sensible heat thermal storage and Stirling engine. The secon step is a preliminary thermodynamics analysis of the whole system, that allowed to evaluate key features: the size of the solar receivers area, the thermal storage volume, and overall energy performance. This task is streched by a sensitivity analysis of the sizing and performances, according to various energy losses parameters, that shows the technical hard spots of the design. Finally, an exergy-based dynamical analysis of stationary operating solar receivers and Stirling engines leads to a propostion of basis methods and criteria for the optimal control of power, in order to maximize the energy performances of the system and to enhance its competitiveness

Le sujet choisi a nécessité une étude bibliographique pour les études de recherche publiées dans les domaines de la Thermodynamique à Vitesse Finie (TVF) et Thermodynamique en Temps Fini (TTF), et pas seulement. Le premier chapitre est dédié à l’état de l’art bibliographique en ce qui concerne le sujet. Une synthèse des aspects énergétiques du Monde, les principales considérations sur les machines de Stirling, les principales méthodes d’analyse et optimisation thermodynamique sont présentés. La comparaison entre la TVF et TTF est présentée, car le développement original s’appuie sur deux méthodes, une de la TVF et l’autre de la TTF, ou plutôt en Dimension Finie. Le deuxième chapitre est dédié aux contributions originales dans le domaine de la TVF: l’adaptation de la Méthode Directe à l’étude et optimisation des machines à cycle inverse avec des irréversibilités internes et externes; amélioration de la méthode de Schmidt en considérant la cinématique effective de la machine considérée ; présentation d’une étude de sensibilité qui permet de séparer les irréversibilités par causes et analyser les effets séparément ; adaptation de la Méthode Directe à l’étude et optimisation de moteurs de Stirling solaires et des ensembles solaire récepteur – concentrateur - moteur Stirling solaire- générateur électrique ; validation de schéma par la comparaison avec les données expérimentales; mise en valeur de la recherche par une application pratique: système de génération d’énergie électrique à partir de l’énergie solaire et hydrogène comme vecteur d’énergie. Le troisième chapitre est dédié aux contributions originales dans le domaine de la TTF. Un modèle thermodynamique pour l’étude et optimisation des machines thermiques est proposé et appliqué pour le cycle de Carnot, pour plusieurs cas, pour des lois de transfert de chaleur linéaires et non linéaires convectif et radiatif. L‘existence des données expérimentales a fait possible la simulation du fonctionnement avec le modèle analytique et la validation. Les conclusions générales et perspectives attendues sont présentées
The stated subject needed an important bibliographic research for the publications in the field of Thermodynamics with Finite Speed (TFS) and Thermodynamics in Finite Time (TFT), and more than that. The first chapter is dedicated to the current status in the chosen subject. A synthesis of worldwide energetic aspects, main considerations on Stirling machines, main methods for analysis and optimization are presented. An important paragraph is the comparison between TFS and TFT, since the original contributions represent two methods, one from TFS and the other one from TFT. The second chapter is dedicated to the original contributions in the field of TFS: adjustment of the Direct Method to the study and optimization of reverse cycle machines with internal and external irreversibilities; correction of the Schmidt method by considering the effective kinematics of the studied machine; development of a sensitivity study to analyze the effects of each irreversibility; adaptation of the Direct Method to the study and optimization of Stirling solar engines and solar assemblies receiver – concentrator - Stirling engine - electric generator; validation of the proposed scheme par comparison with experimental data; research practical utilization: a proposed solar system for electric energy and hydrogen (as an energy career) production. The third chapter is dedicated to the original contributions in the field of TFT. A thermodynamic model pour for the study and optimization of thermal machines is proposed and applied to the Carnot cycle, for more cases, for linear and non linear convective and radiative heat transfer laws. Existence of experimental data allowed the operating simulation and validation of the model. The general conclusions and perspectives are presented

Ce travail traite la modélisation et l'optimisation des centrales solaires thermodynamiques à concentration produisant de l'électricité pour l'électrification des zones rurales isolées et mal raccordées au réseau électrique. D’abord, un modèle optique et thermique détaillé des concentrateurs solaires cylindro-paraboliques est présenté permettant l'identification de capteurs existants et la création de corrélations qui peuvent être injectées dans un modèle plus global. Dans un second temps, un modèle original d'un stock de chaleur stratifié de type « lit de roche » est développé. Le nouveau modèle proposé permet de déterminer analytiquement le profil de température dans le stock à n'importe quel instant dans le cas d'une température d'entrée régulée. Ensuite, deux alternatives de bloc moteur sont modélisées : le moteur Stirling et le Cycle Organique de Rankine (ORC acronyme anglais pour Organic Rankine Cycle). Concernant le moteur Stirling, une revue critique des modèles existants a été effectuée. Certains de ces modèles ont été implémentés et complétés par des modèles originaux des pertes par fuite de matière et par effet navette. Le cycle organique de Rankine, lui, est modélisé par un modèle orientée vers l'optimisation. Enfin, une optimisation mono et multicritère d’une centrale solaire est effectuée. La configuration étudiée est équipée d’un stock de chaleur et d’une chaudière d’appoint. Elle est optimisée selon trois critères : le coût moyen actualisé de l'électricité (LCOE acronyme anglais pour Levelized Cost Of Electricity), le rendement énergétique de la centrale et la quantité de CO2 émise par Kilowatt heure d'électricité produite
This work deals with the modelling and the optimization of thermodynamic solar power plants intended to supply electricity to isolated locations. Firstly, a state of the art of solar collectors is achieved and a model for parabolic trough collectors is proposed. This model is used for actual collectors identification. It is used also to propose correlations to be introduced in the whole system model. In a second time, a state of the art of energy storage technologies is conducted and an original model of a packed bed storage tank is proposed. This model gives an explicit solution of the temperature inside the tank without using a time step based numerical resolution. Two alternatives for the power block are given: Stirling engines and Organic Rankine Cycles. For Stirling engines, a critical review of existing models is performed. Some losses occurring in Stirling engines are not well documented in the literature as leakage losses at the power piston and displacer gap losses. Therefore, original models are proposed to estimate these losses. When compared to former models in the literature, the new model of the displacer gap losses demonstrates clearly that it is very important to use decoupled models with caution. Concerning the ORC, an optimization-oriented model is proposed. Finally, a mono and multi-objective optimization of a solar power plant is performed. The optimized system is composed of a solar field, a packed bed heat storage, a power block and an auxiliary fired heater. Objective functions used in this study are: the Levelized Cost of Electricity (LCOE), the energetic efficiency of the power plant and CO2 emission per kilowatt hour of electricity

Dans le contexte économique et énergétique actuel, la mise en œuvre de technologies à l'aide de l'énergie renouvelable comme source de chauffage offre un double avantage: la réduction de la pollution et des coûts de carburant. Il y a un besoin de promouvoir les sources renouvelables d'énergie comme les sources significatives de production d'énergie pour les systèmes décentralisés. Une première étude bibliographique a été fait sur les technologies existantes pour la production d'énergie électrique à partir du solaire. Cette étude consiste dans la recherche d’une nouvelle solution de conversion de l’énergie solaire pour la production d’électricité de faible puissance. L'un des objectifs de cette thèse a été la construction d'un moteur Stirling de type gamma fonctionnant à basse différence de température, adapté à un circuit solaire (capteur plan). Le moteur Stirling a été testé en vue de comparer les résultats expérimentales avec les résultats d’un model Schmidt, fait dans le logiciel, Matlab. Un autre cycle thermodynamique étais étudie dans cette travail, le Cycle Organique Rankine (ORC). Un modèle mathématique a été développé et vérifie dans les logiciels, Thermoptim et EES (Engineering Equation Solver) avec les résultats expérimentaux pour étudier les performances d'installation avec des différentes températures de fonctionnement. La méthode exergétique et la méthode du Pincement sont utilisée pour évaluer les performances du système comme irréversibilité, destruction d’exergie et phénomènes qui se produisent dans toutes les composantes du système ORC pour améliorer son fonctionnement
In the current economic and energy context, implementation of technologies using renewable energy as heat source has two advantages: reducing pollution and fuel costs. There is a need to promote renewable energy sources such as significant sources of power generation for decentralized systems. In the first part, it was made a literature review on existing technologies for the production of electricity with solar energy. One of the objectives of this thesis was to build a Stirling engine gamma type suitable to use solar energy (flat plate collator). The Stirling engine was tested to compare the experimental results with the results of Schmidt model, realized in the software, Matlab. Another thermodynamic cycle was studied in this work, the Organic Rankine Cycle (ORC). A mathematical model was developed and verified in software, Thermoptim and EES (Engineering Equation Solver) with experimental results to study the installation performance function of different operating temperatures. The entire system and each subsystem are analyzed according to the first and the second law of thermodynamics. The exergy method and Pinch analysis are used to evaluate the performance of the system like irreversibility and exergy destruction, phenomenon that occurs in all components of the ORC system. This analysis is to improve the operation

La micro cogénération désigne la génération simultanée de deux types d’énergie à faible puissance. En énergétique, ce terme désigne en pratique la production simultanée d’électricité et de chaleur : le principe reposant sur la récupération de la chaleur fatale induite par la production électrique. Deux bancs d’essais ont d’abord été réalisés sur deux prototypes de micro cogénérateurs : un moteur Stirling à gaz et un moteur à vapeur à granulés de bois. Une campagne expérimentale a été menée pour caractériser chaque système au niveau énergétique et environnemental. Les résultats expérimentaux ont abouti sur deux modèles numériques dynamiques et semi-physiques de micro cogénérateurs programmés dans l’environnement numérique TRNSYS où une plateforme numérique de simulation a été développée. Celle-ci intègre principalement des modèles de systèmes de stockage d’énergie, des générateurs stochastiques de fichiers de besoins énergétiques et des stratégies innovantes de pilotage des systèmes et des charges selon des critères de précision et de réalisme.Cette plateforme a permis d’évaluer la pertinence énergétique, environnementale et économique de micro cogénérateurs couplés aux bâtiments d’habitation et au réseau électrique selon différentes configurations
Micro combined heat and power (µCHP) or cogeneration means the simultaneous generation of two energy types. In energetic fields, this term refers usually to the simultaneous production of electricity and heat: the principle being based on the recovering of the fatal heat induced by the electricity production processes.Firstly, two test benches were carried out on two µCHP prototypes: a gas Stirling engine and a wood pellets steam engine. Experimental investigations were conducted to characterize each system at energy and environmental levels. The experimental results led two dynamic and semi physical numerical models of µCHP systems programmed in the numerical tool TRNSYS where a numerical platform has been developed. This platform integrates mainly energy storage systems models, stochastic energy needs file generators and innovative management strategy of systems and energy loads according to precision and realism criteria.This platform allows assessing realistic energy, environmental and economic relevance of µCHP systems coupled with dwelling buildings and the power grid according to different configurations

Cette thèse porte sur le développement d’un cogénérateur résidentiel constitué d’un générateur linéaire asynchrone entraîné par deux moteurs Stirling fonctionnant en mode ‘piston libre double effet’. Les critères caractérisant un tel cogénérateur sont décrits ainsi que ses différents modes d’utilisation dans le domaine résidentiel. Les différentes technologies sont passées en revue.Les équations de la mécanique sur lesquelles se fondent le contrôle du couplage thermoélectrique du cogénérateur et sa stabilité y sont définies. Le générateur électrique est modélisé en vue de calculer les grandeurs électriques des équations à bobines couplées et les grandeurs du schéma électrique équivalent, ce schéma permet d’inverser le modèle.Les résultats des modèles analytiques sont validés par des mesures faites sur des maquettes spécialement conçues. Une étude paramétrique de la structure du générateur a permis d’optimiser ses performances. Les équations de la mécanique et le modèle électrique sont utilisés pour poser les bases d’une optimisation ‘système’ du cogénérateur
This thesis focuses on the development of a residential cogenerator which consists of a linear induction generator driven by two Stirling engines, free-piston double-acting operating mode. The criteria characterizing such cogenerator are described and its various modes of use in the residential sector. The various technologies are reviewed.The equations of mechanics that underlie the control of the coupling of thermoelectric cogeneration and stability are defined.The electric generator is modeled to calculate the electrical coil coupled equations and the magnitudes of the equivalent circuit, this scheme allows us to reverse the pattern. The results of analytical models are validated by measurements on specially designed models. A parametric study of the structure of the generator has optimized its performances. The equations of mechanical and electrical model are used to lay the groundwork for optimization of all the cogenerator, considered as a system

La première partie de la thèse comporte l’étude des machines à froid, en tenant compte de la vitesse finie des processus. L’approche est basée sur une nouvelle méthode d’optimisation des processus et cycles à vitesse finie, la Méthode Directe d’étude et évaluation des irréversibilités. Les performances de ces cycles sont évaluées en prenant en compte les irréversibilités internes générées par la vitesse finie, notamment (1) les pertes de pression dues au laminage, (2) les pertes de pression dues à la vitesse finie du piston, (3) les pertes de pression dues aux frottements interne et mécanique et (4) l’irréversibilité due aux pertes de chaleur. On obtient ainsi directement l'expression du rendement ou du coefficient de performance et de la génération d’entropie en fonction de la vitesse des processus et d'autres paramètres géométriques et fonctionnels. Le travail proposé pour cette partie de thèse analyse la génération des irréversibilités dans une machine thermique fonctionnant selon le cycle inverse quasi-Carnot (Machine Frigorifique à compression mécanique des vapeurs), en proposant un schéma de calcul complètement analytique. A l’aide de ce schéma de calcul on peut développer des études de sensibilité et d’optimisation de ces machines, sans avoir besoin d’utiliser de tableaux des vapeurs saturés.La deuxième partie du mémoire présente l’application des modèles thermodynamiques (la Méthode Directe, la Méthode de la Thermodynamique en Dimensions Physiques Finies (TDPF), la méthode isotherme de Schmidt, la méthode adiabatique de Finkelstein) dans l’étude des machines Stirling – moteurs et récepteurs et confrontation avec l’expérience.La Méthode de la TDPF est une méthode qui regroupe les techniques de la thermodynamique en temps, vitesse et dimensions géométriques finies. Cette méthode introduit les exo-irréversibilités dues aux transferts de chaleur finis entre les réservoirs (source chaude, puits froid, régénérateur) et le fluide de travail et, de plus, considère les contraintes qui se présentent à l’ingénieur (la pression maximale, le volume maximum, les températures des réservoirs chaud et froid, la vitesse de rotation). La méthode isotherme de Schmidt est une méthode zéro-dimensionnelle qui permet l’étude de la machine divisée en trois volumes isothermes. Elle permet de décrire l’évolution de paramètres, comme le volume instantané (chaud, froid ou de régénération) ou la pression en fonction du temps. L’analyse des processus de transfert de la chaleur et d’écoulement du gaz de travail, ayant lieu dans le moteur Stirling d’un micro-cogénérateur, est effectuée en utilisant un model adiabatique monodimensionnel. Cette analyse repose sur la division du moteur Stirling en 5 volumes de control auxquels on applique les équations des gaz parfaits et les équations de conservation de masse et d’énergie.Les résultats expérimentaux seront confrontés à ceux obtenus par les quatre méthodes de calcul, ce qui permettra de définir les paramètres d’ajustage afin de valider les modèles thermodynamiques. Cette confrontation permettra le développement d’une autre méthode, une combinaison des trois approches utilisées afin de modéliser au mieux le fonctionnement du système, préservant les avantages de chacune sur des intervalles de vitesse de rotation donnés.Des études de sensibilité et d’optimisation de paramètres géométriques et fonctionnels seront effectuées afin de proposer des améliorations de mise au point système pour fournir puissance et de rendement plus élevés
This paper presents the author's overall results obtained in his doctoral thesis, on: The analysis of entropy generation and the evaluation of the performances of the inversed cvasi-Carnot cycle; The application of the Direct Method, Finite Physical Dimensions Thermodynamics method (TDFF), Schmidt’s isotherm method and Finkelstein’s adiabatic model in the study of Stirling engines – engines and machines that function on reversed cycles (receivers) and the confrontation of analytical results with the experimental ones. The first part of the thesis covers the study of the refrigeration machines, considering the finite speed of the processes. The study is based on a new method to optimize the processes and the cycles with finite speed, the Direct Method of study and the evaluation of the irreversibilities. The performance of these cycles are evaluated using analytical relations, considering internal irreversibilities generated by finite speed, especially the pressure losses due to (1) throttling (2) finite speed of the piston (3) internal and mechanical friction (4) irreversibilities due to heat losses. These irreversibilities are introduced in the expression of the First Principle of Thermodynamics for processes with finite speed, and its application leads directly and through analytical means to the expressions of efficiency or coefficient of performance and entropy generation, function of the finite speed of the processes and other geometrical and functional parameters of the machine. The proposed study for this first part of the thesis analyzes the generation of thermal irreversibilities in a thermal machine functioning on a cvasi-Carnot reversed cycle (refrigerating machine with mechanical compression of vapor-IFV) proposing a completely analytical calculation scheme. With this calculation scheme sensitivity studies and optimization of these types of machines were developed, without having to use saturated vapor tables.The second part of the thesis presents the application of thermodynamic models (Direct Method, Finite Physical Dimension thermodynamics method, Schmidt's isotherm model and Finkelstein’s adiabatic model) in the study of Stirling engines – engines and machines that function on reversed cycles (receivers) and the confrontation of analytical results with the experimental ones. The Direct Method consists in the study and assessment of the irreversibilities generated in thermal machines by analyzing the cycle step by step (progressive) and the direct integration of the equation the First Principle of Thermodynamics combined with the Second Principle of Thermodynamics with finite speed, for each process of the cycle. This provides analytical expressions for power and efficiency or coefficient of performance COP, function of the speed of the processes and other geometric and functional parameters

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet collaboratif MICROSOL, mené par Schneider Electric, et qui oeuvre pour le développement de micros centrales solaires thermodynamiques destinées à la production d'électricité en sites isolés (non connectés au réseau électrique) en exploitant l'énergie thermique du soleil. Le but de cette thèse étant le développement de lois de commande innovantes et efficaces pour la gestion de l'énergie de deux types de micros centrales solaires thermodynamiques : à base de moteur à cycle de Stirling et à base de machines à Cycle de Rankine Organique (ORC). Dans une première partie, nous considérons une centrale solaire thermodynamique à base de machine à cycle de Stirling hybridée à un supercondensateur comme moyen de stockage d'énergie tampon. Dans ce cadre, nous proposons une première loi de commande validée expérimentalement, associée au système de conversion d'énergie du moteur Stirling, qui dote le système de performances quasi optimales en termes de temps de réponse ce qui permet de réduire la taille du supercondensateur utilisé. Une deuxième loi de commande qui gère explicitement les contraintes du système tout en dotant ce dernier de performances optimales en terme de temps de réponse, est également proposée. Cette dernière loi de commande est en réalité plus qu'un simple contrôleur, elle constitue une méthodologie de contrôle applicable pour une famille de systèmes de conversion de l'énergie.Dans une deuxième partie, nous considérons une centrale solaire thermodynamique à base de machine à cycle de Rankine Organique (ORC) hybridée à un banc de batteries comme moyen de stockage d'énergie tampon. Etant donné que ce système fonctionne à vitesse de rotation fixe pour la génératrice asynchrone qui est connectée à un système de conversion d'énergie commercial, nous proposons une loi de commande prédictive qui agit sur la partie thermodynamique de ce système afin de le faire passer d'un point de fonctionnement à un autre, lors des appels de puissance des charges électriques, le plus rapidement possible (pour réduire le dimensionnement des batteries) tout en respectant les contraintes physiques du système. La loi de commande prédictive développée se base sur un modèle dynamique de la machine ORC identifié expérimentalement grâce à un algorithme d'identification nonlinéaire adéquat
This Ph.D thesis was prepared in the scope of the MICROSOL project, ledby Schneider Electric, that aims at developing Off-grid solar thermodynamic micro powerplants exploiting the solar thermal energy. The aim of this thesis being the development of innovative and efficient control strategies for the energy management of two kinds of solar thermodynamic micro power plants: based on Stirling engine and based and Organic RankineCycle (ORC) machines.In a first part, we consider the Stirling based solar thermodynamic micro power planthybridized with a supercapacitor as an energy buffer. Within this framework, we propose afirst experimentally validated control strategy, associated to the energy conversion system ofthe Stirling engine, that endows the system with quasi optimal performances in term of settlingtime enabling the size reduction of the supercapacitor. A second control strategy that handlesexplicitly the system constraints while providing the system with optimal performances interm of settling time , is also proposed. This control strategy is in fact more than a simplecontroller, it is a control framework that holds for a family of energy conversion systems.In a second part, we consider the Organic Rankine Cycle (ORC) based thermodynamicmicro power plant hybridized with a battery bank as an energy buffer. Since this system worksat constant speed for the asynchronous generator electrically connected to a commercial energyconversion system, we propose a model predictive controller that acts on the thermodynamicpart of this system to move from an operating point to another, during the load power demandtransients, as fast as possible (to reduce the size of the battery banks) while respecting thephysical system constraints. The developed predictive controller is based upon a dynamicmodel, for the ORC power plant, identified experimentally thanks to an adequate nonlinearidentification algorithm

Les modeles actuels utilises pour simuler les conditions de fonctionnement des moteurs stirling ne permettent pas de predire les performances de ces machines avec une precision satisfaisante. Cela est du, en grande partie, a l'utilisation de correlations non adaptees a l'ecoulement oscillant pour le calcul des dissipations visqueuses et des transferts de chaleur. Apres une vaste etude bibliographique, nous discutons, dans la premiere partie de notre travail, des differentes manieres de definir le coefficient d'echange dans le cadre des ecoulements oscillants, et des limites de ces definitions. Nous presentons ensuite de nouvelles solutions analytiques au probleme du transfert thermique parietal en ecoulement laminaire incompressible oscillant. Ces solutions mettent, entre autres, en evidence la grande sensibilite des transferts thermiques au type de conditions aux frontieres et a la position axiale consideree. Afin de mieux caracteriser les transferts de chaleur instationnaires au sein des echangeurs des moteurs stirling, et, a terme, d'obtenir des correlations mieux adaptees, nous avons, dans une seconde et importante partie de notre travail, concu et realise un banc experimental destine a couvrir les conditions de fonctionnement des moteurs stirling les plus courants. En ecoulement oscillant completement developpe, nous avons effectue des mesures de vitesse par anemometrie laser ainsi que des mesures de temperature dans le fluide et a l'interieur de la paroi, a l'aide d'une sonde equipee d'un thermocouple de 12 microns et d'un capteur de flux parietal. Nous avons verifie que l'ecoulement genere etait bien sinusoidal et axisymetrique. Pour des frequences et des amplitudes d'oscillation variees, les mesures de vitesse et de temperature dans le fluide nous ont permis de mettre en evidence les caracteristiques de la transition de l'ecoulement laminaire vers l'ecoulement turbulent. Dans nos conditions experimentales, nous avons verifie que les variations temporelles de temperature dans la paroi sont tres faibles et que les variations de pression locale engendrent des variations temporelles de temperature assez importantes dans le fluide. Les mesures effectuees permettent de determiner le coefficient global d'echange, de la paroi exterieure vers le fluide, ainsi que les conditions locales du transfert thermique, a l'interface fluide/paroi.

Les résultats présentés dans cette thèse s’articulent autour de la synthèse d’observateurs de type grand gain pour des classes de systèmes non linéaires. Une classe de systèmes multi-entrées/multi-sorties non uniformément observables a tout d’abord été considérée et un observateur dont le gain est issu de la résolution d’une équation différentielle ordinaire de Lyapunov a été proposé. La convergence exponentielle de l’erreur d’observation sous-jacente a été établie sous une condition d’excitation persistante bien appropriée. La synthèse de l’observateur proposé a été ensuite reconsidérée pour prendre en compte l’échantillonnage et la présence de retard sur la sortie. L’observateur résultant de la resynthèse a une structure en cascade avec des systèmes en chaîne où le premier système de la cascade estime l’état retardé tandis que l’état du dernier système est une estimation de l’état instantané du système. La deuxième classe de systèmes considérée dans cette thèse est une forme normale observable multi-sorties comportant des incertitudes et dont la sortie est échantillonnée et retardée. Un observateur en cascade a été proposé pour l’estimation de l’état instantané du système. Les performances des différents observateurs proposés ont été illustrées à travers plusieurs exemples en simulation tout au long de de la thèse
The results given in this thesis deal with the design of high gain observers forsome classes on nonlinear systems. A class of multi-inputs/multi-output non uniformlyobservable systems has been first considered and an observer the gain of which is issuedfrom the resolution of a Lyapunov ordinary differential equation has been proposed. Theexponential convergence of the underlying observation error has been established underan appropriate persistent excitation condition. The design of the proposed observerhas then been reconsidered in order to account for the sampling and delay processeswhich may occur on the output. The redesigned observer assumes a cascade structurewith chained systems where the head of the cascade is an observer for the delayedstate while the state of the last system in the cascade constitutes an estimation ofthe system actual state. The second class of systems considered in this thesis is amulti-outputs observable normal form involving some uncertainties and with a delayedsampled output. A cascade observer allowing the estimation of the system actual statehas been proposed. The performance and main properties of the proposed observershave been illustrated in simulation by considering many examples throughout thisthesis

Apres une presentation generale sur les moteurs stirling, nous exposons les differentes methodes d'analyse energetique et leurs mise en uvre pour simuler un petit moteur stirling a pistons libres et a deplaceur cinematique (configuration de martini). Les pistons libres portant directement la partie mobile d'un alternateur lineaire, il y a un couplage fort entre la thermodynamique du moteur et les caracteristiques du circuit electrique auquel est raccorde l'alternateur. Dans nos modeles, la temperature des parois dans les echangeurs de chaleur est supposee constante : cette hypothese est justifiee en detail. De meme, nous montrons que la demarche de modelisation adoptee et sa concretisation numerique sont fondees et capables de decrire correctement les transferts instationnaires dans les moteurs stirling. Trois niveaux d'analyse du moteur etudie sont ensuite compares : il s'agit des analyses vibratoire, decouplee et couplee. Nous montrons l'interet et les limites de chacune d'elles. Differents aspects du fonctionnement du moteur sont ensuite simules et etudies : les causes de l'apparition du mode surexcite (over-driven mode) et ses consequences, l'influence de la frequence d'excitation du deplaceur sur les performances du moteur ainsi que le fonctionnement en regime transitoire de frequences, et l'interet d'adopter un mouvement non continu du deplaceur. Enfin, nous montrons que si le circuit electrique est constitue d'elements r-l-c de caracteristiques constantes, le dephasage entre le mouvement des pistons libres et celui du deplaceur est loin de l'optimum. Que l'alternateur fonctionne en ilotage sur une charge independante, ou couple a un reseau, nous montrons comment, simplement, en faisant varier la valeur instantanee de la resistance electrique du circuit, on peut multiplier la puissance electrique nette produite par un facteur allant de 4 a 10 et le rendement par un facteur de 1,25 a 2 sans modifier la geometrie du moteur.

Voir résumé étendu en français en fin de thèse
In the actual energetic and economic context, energy polygeneration represents the answer regarding the efficient use of a fuel. This solution would diminish the losses associated to the classical methods of energy production and, as a result, would increase the installations' efficiency. The polygeneration systems (cogeneration/trigeneration of energy), consist of various technologies that offer alternatives to the global problems linked to energy, such as energy scarcity, energy supply security, emissions control from the production of energy, economy and energy conservation, etc.. This doctoral thesis examines two types of polygeneration of energy. The first part focuses on the analysis of a high power trigeneration system based on a gas turbine installation for production of electrical energy, the second part of the thesis is dealing with a system of micro-cogeneration of energy powered by a solar Stirling engine. Given the actuality and interest for the polygeneration field of energy production, there is a constant concern to simulate and optimize the operation of this kind of systems in order to achieve significant performance designed to satisfy the consumers' needs

Les travaux de cette thèse visent à étudier un système de micro-cogénération de structure innovante motorisé par un moteur Stirling à piston libre " double effet ". Ce système est caractérisé par un fort couplage entre la partie thermo-mécanique et la partie mécano-électrique, assurée par une génératrice à induction linéaire tubulaire à mover massif. En effet, le piston de compression joue également le rôle du mover de la machine électrique. Le modèle thermo-mécanique non-linéaire du moteur Stirling " double effet " a été tout d'abord rappelé ce qui a permis de dégager le mode de couplage optimal entre le moteur thermique et la génératrice électrique. Ensuite, l'étude de la partie génératrice électrique a porté sur la validation numérique et expérimentale du modèle électromagnétique par la résolution des équations de Maxwell en magnétodynamique, sur l'identification des paramètres de la machine linéaire en combinant les méthodes théoriques avec les essais expérimentaux et finalement sur la réalisation expérimentale de la commande vectorielle à flux orienté afin de maîtriser la force résistante en régime oscillatoire. Puis, la chaîne des convertisseurs d'électronique de puissance qui assure la connexion du système électrogène au réseau domestique a été étudiée en vue d'adapter la production électrique aux contraintes du réseau. Ensuite, un " banc d'essai virtuel " du système global a été réalisé à l'aide de Matlab/ Simulink, mettant en place le modèle thermo-mécanique non-linéaire du moteur Stirling " double effet ", le modèle dynamique de la génératrice à induction linéaire tubulaire, le modèle des convertisseurs statiques ainsi que les commandes associées : commande P.I.D en position, commande vectorielle à flux orienté, et commande PFC. Le " banc d'essai virtuel " a permis de valider le couplage des modèles, les performances des commandes ainsi que le fonctionnement stabilisé du système en mode oscillatoire. Puis, sous l'hypothèse d'un contrôle/ commande du système parfait, un modèle global aux " valeurs moyennes instantanées ", appelé " plateforme énergétique ", a été établi. Ce modèle est d'exécution rapide, compatible avec un outil d'optimisation " multi-variables ", " multi-objectifs ". Enfin, l'étude de dimensionnement optimale de la chaîne électromécanique complète du système basé sur l'algorithme génétique NSGA-II a permis d'obtenir plusieurs solutions significative afin de maximiser la puissance électrique injectée au réseau et de minimiser le coût total de la chaîne. Le temps de rentabilité optimal du système est également considéré à la fin de cette thèse.