Soutenance mémoire
Techniques de dimensionnement
Le dimensionnement est l’une des premières étapes dans la conception d’un système de pompage photovoltaïque (SPPV); la quantité, la qualité et le type de données à recueillir in situ et à partir d’autres sources dépendent directement du processus de dimensionnement. C’est aussi une étape critique pour la survie financière du projet parce que les éléments à utiliser devraient être sélectionnés en prenant en compte leur coût d’achat, l’entretien requis et la durée de vie attendue. L’article de (Pande et al., 2003) propose plusieurs critères de conception d’un système de pompage photovoltaïque pour l’irrigation. Premièrement, les besoins en eau sont définis pour chaque plante, ainsi que l’énergie théorique requise pour pomper l’eau, tout en tenant compte des pertes de charge avec l’équation de William Hazen (Walski et Haestad Methods Inc., 2003). En ce qui concerne la consommation d’eau, plusieurs variables sont mentionnées, comme les phases de croissance des plantes, le type de sol et la saison; donc le profil de consommation varie avec le temps au long de l’année. Néanmoins, seul le pic de consommation est considéré pour ce qui est du dimensionnement du système.
Pour les conditions spécifiques citées dans l’article, cette consommation est donnée en litres par plante par jour. Les critères de sélection de la pompe sont mentionnés, particulièrement le volume d’eau à pomper, la pression de travail du système, les pertes de charge et l’efficacité de l’ensemble pompe-moteur. Cependant, le processus de choix de la pompe n’est pas explicite. Le nombre de modules PV est défini à partir de l’efficacité théorique de l’ensemble pompe-moteur, de la puissance nominale des modules et de la puissance nominale de la pompe, mais les données et les calculs ne sont pas montrés. Pour sa part (Cuadros et al., 2004) mentionnent que le coût élevé des installations de pompage photovoltaïque nécessite un dimensionnement précis, même avant d’entreprendre des démarches pour en évaluer la performance. Trois étapes pour le dimensionnement de systèmes de pompage photovoltaïque pour l’irrigation sont proposées, soit déterminer les besoins en eau, faire une analyse hydraulique du système et finalement estimer la taille du générateur photovoltaïque (GPV). Les besoins en eau sont déterminés à l’aide d’une procédure établie par l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO) pour l’irrigation, qui tient compte de l’eau stockée dans le sous-sol, de l’eau de pluie et du processus de transpiration des plantes. Le résultat est une quantité d’eau à pomper par plante et par jour, ce qui se traduit par un profil de consommation d’eau constant et d’une durée de 8 mois approximativement, la consommation étant nulle en hiver. Dans les applications d’irrigation, il est important de fournir une quantité déterminée d’eau par plante pendant la journée, peu importe le moment exact d’irrigation.
Pour ce qui est du système photovoltaïque (modules PV, pompe, moteur), l’énergie hydraulique requise pour faire monter l’eau depuis un puits et jusqu’au réservoir est calculée, et à partir de ce calcul, l’énergie électrique requise est obtenue avec l’équation (1.1) Où EH est l’énergie hydraulique, R sont les pertes liées à la friction entre l’eau et les tuyaux, Gd est la fraction du jour où la radiation est suffisamment élevée pour démarrer la pompe, G est l’efficacité des modules photovoltaïques, I l’efficacité du convertisseur et MB l’efficacité de l’ensemble pompe-moteur. Le dénominateur est alors l’efficacité moyenne du système et la puissance nominale requise est calculée avec l’équation (1.2) Étant h le nombre effectif d’heures de soleil par jour. Finalement, l’auteur propose d’ajouter un 10% de puissance nominale pour tenir compte de la perte d’efficacité des modules due aux températures au-delà de 25°C. Le calcul se fait avec des données mensuelles d’heures de soleil disponibles par jour en moyenne, ce qui produit une puissance nominale par mois; le système est donc dimensionné avec la puissance requise la plus élevée. Aucune procédure pour le choix de la pompe ou du moteur n’est décrite. Le dimensionnement est fait pour une installation qui utilise un réservoir de stockage d’eau pour les périodes où la radiation est faible, mais sa taille n’est pas calculée.
En plus, les efficacités sont considérées comme constantes, ainsi que la perte d’efficacité liée à la température, ce qui n’est strictement pas le cas. L’article de (Hamidat et Benyoucef, 2009) se base sur la méthode LLP (Load Losses Probability), utilisée pour la simulation et le dimensionnement optimal de systèmes PV avec de batteries pour stocker l’énergie. Leur recherche propose une analogie entre les batteries et le réservoir d’eau, qui est capable à son tour de stocker de l’eau afin de fournir la ressource pour les périodes avec un ensoleillement faible. D’abord, l’article propose deux modèles de pompes, composés par une équation reliant puissance électrique d’entrée et débit de sortie pour une hauteur manométrique donnée. Ensuite, à partir des données d’entrée (consommation d’eau, données météorologiques, hauteur manométrique, taille du réservoir), la performance du SPPV est évaluée à l’aide du déficit relatif, qui est le rapport entre la quantité d’eau pompée manquante et la consommation totale. Une valeur objective de LLP est établie arbitrairement, et la taille du système PV est calculée en conséquence. Deux variables de sortie sont calculées pour dimensionner le SPPV de façon optimale, soit la taille du GPV (exprimée en Watt crête, Wc) et la taille du réservoir (exprimée en jours d’autonomie). Plusieurs solutions sont possibles, par exemple, si la taille du réservoir augmente, la puissance nominale du générateur PV peut diminuer, et réciproquement, une taille minimale du générateur PV est cependant requise pour qu’une solution soit possible. Autrement dit, même si l’on augmente la taille du réservoir, la puissance du générateur PV ne pourra pas nécessairement être réduite au-delà d’un seuil minimal. L’impact de la localisation géographique sur le dimensionnement du système est considérable, ainsi que celui de la hauteur manométrique. Par contre, si la taille du réservoir influence la taille du générateur PV, le profil de consommation d’eau l’influence très peu.
Critères d’optimisation
Le choix de composants est important pour le système, mais aussi des critères d’optimisation qui sont souvent proposés afin d’exploiter les composants le plus efficacement possible et d’en obtenir le meilleur rendement pour de conditions données. Il est possible d’obtenir plusieurs types de résultats à partir d’une optimisation, par exemple l’angle optimal du panneau PV, l’algorithme de contrôle de la pompe, l’algorithme de contrôle du panneau PV, etc. L’article de (Glasnovic et Margeta, 2007) utilise une fonction objective à optimiser, prenant compte des paramètres intervenant dans le processus de dimensionnement d’un SPPV pour l’irrigation et de leurs interactions. La méthode de dimensionnement la plus utilisée pour un SPPV est basée sur des calculs théoriques réalisés pour chaque composant individuellement et pour le mois critique, c’est-à-dire celui où la radiation solaire disponible est minimale. Cette approche représente plusieurs inconvénients, comme la possible incompatibilité entre la demande et l’énergie disponible, l’impossibilité de garantir le bon fonctionnement du système pour les mois autres que le mois critique, le stockage d’eau pour les périodes peu ensoleillées est négligé, entre autres. Une seule équation reliant puissance PV requise, quantité d’eau stockée dans le sol (qui est considéré comme étant un réservoir à capacité fixe) et quantité d’eau pompée permet de connaître l’état de chaque composant de façon dynamique, ce qui permet d’avoir une approximation plus précise du fonctionnement du système. Le critère d’optimisation défini par les auteurs est le rapport entre l’énergie hydraulique requise pour pomper l’eau (sortie) versus la radiation incidente sur la surface des capteurs (entrée), puisque ce critère permet d’optimiser l’adaptation entre la charge et la production électrique. Considérant que la consommation est connue pour chaque pas de temps, donc fixe, le critère d’optimisation devient donc la minimisation de la puissance nominale du GPV pour laquelle la charge est complètement supportée pendant une durée déterminée.
Étant donné que ni l’utilisation d’un réservoir externe ni l’inclusion de batteries ne sont considérées, c’est le prix des modules PV qui définit en grande partie le prix de l’installation pour ce cas particulier. Deux équations principales sont utilisées pour le processus d’optimisation de la taille du GPV, la première décrit le sol comme étant un réservoir qui reçoit l’eau qui est pompée plus l’eau de pluie et qui perd de l’eau par l’évapotranspiration des plantes et par infiltration vers les couches inférieures du sol; la deuxième reliant puissance électrique du GPV avec quantité d’eau pompée. Plusieurs restrictions sont également appliquées, comme la quantité maximale d’eau à pomper (qui ne doit pas être supérieure à celle de remplissage du puits) et le niveau minimal d’eau dans le sol (60% de sa capacité). L’analyse se fait par période de dix jours et le résultat est la puissance nominale du GPV pour une installation horizontale du panneau PV; la puissance maximale obtenue pour les périodes analysées sera celle qui est optimale pour l’application particulière visée. La taille du GPV optimal est déterminée avec une inclinaison nulle, sans considérer l’utilisation de batteries, sans ajouter un réservoir externe de stockage, et sous l’hypothèse que les efficacités des éléments (modules PV, pompe et contrôleur) sont constantes. Aucune démarche n’est présentée concernant le choix de la pompe. Finalement, la validation du modèle implanté est réalisée grâce à une comparaison avec un dimensionnement basé sur la méthode traditionnelle. Les résultats montrent une puissance nominale optimale réduite pour deux installations en Croatie.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Techniques de dimensionnement
1.2 Critères d’optimisation
1.3 Prédiction du fonctionnement
1.4 Aspect économique
1.5 Résumé
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Données d’entrée utilisateur
2.1.1 Localisation du site
2.1.2 Données concernant le pompage
2.1.3 Données de consommation d’eau :
2.1.4 Albédo du sol
2.2 Choix de pompe
2.2.1 Base de données pompes
2.2.2 Courbe du système
2.2.3 Choix de pompe
2.3 Données des modules photovoltaïques
2.4 Dimensionnement du système de pompage
2.4.1 Panneau PV avec β = ϕ
2.4.2 Panneau PV fixe et inclinaison optimale
2.5 Choix de la solution
2.6 Analyse économique
2.6.1 Investissement Initial
2.6.2 Coûts récurrents
2.6.3 Valeur Actualisé Nette (VAN)
2.6.4 Tarif et coût du Wc installé
2.7 Prédiction du fonctionnement
CHAPITRE 3 VALIDATION
3.1.1 Cas # 1 : Antalya, Turquie
3.1.2 Cas # 2 : Wulanchabu, Chine
CHAPITRE 4 RÉSULTATS ET DISCUSSION
4.1 Installation potentielle 1
4.1.1 Influence de l’inclinaison
4.1.2 Influence de la puissance nominale du GPV et de la taille du réservoir
4.1.3 Quantité d’eau pompée et consommée
4.1.4 Bilan énergétique
4.1.5 Influence du modèle de module PV choisi
4.1.6 Comportement des tarifs
4.2 Installation potentielle 2
4.2.1 Bilan énergétique
4.2.2 Influence de la source de données météorologiques
4.2.3 Influence du modèle de consommation
4.2.4 Comportement des tarifs
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I STRUCTURE DU FICHIER .EPW –TIRÉ DE (EnergyPlus, 2005)
ANNEXE IIJOURNÉES TYPE DE SYSTÈMES SOLAIRES TIRÉES DE (Duffie et Beckman, 2013)
ANNEXE III POMPES DANS LA BASE DE DONNÉES
ANNEXE IV SCHÉMAS DE CONNEXION HYDRAULIQUE
ANNEXE V DIAGRAMME DU PROCESSUS DE DIMENSIONNEMENT
ANNEXE VI SOLUTION TROUVÉE PAR L’OUTIL – VALIDATION 1 ANTALYA, TURQUIE
ANNEXE VII SOLUTION TROUVÉE PAR L’OUTIL – VALIDATION
WULANCHABU, CHINE
ANNEXE VIII SOLUTIONS TROUVÉES PAR L’OUTIL – INSTALLATION POTENTIELLE 1 SAN BERNARDO, COLOMBIE
ANNEXE IX SOLUTIONS TROUVÉES PAR L’OUTIL – INSTALLATION POTENTIELLE 2 ANTANANARIVO, MADAGASCAR
ANNEXE X SOLAR WATER PUMPING SYSTEMS: DIMENSIONING AND OPTIMIZATION
BIBLIOGRAPHIE
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