UN1VERSIT DU QUBEC

MMOIRE PRSENT L'UN1VERSIT DU QUBEC TROIS-RIVIRES

COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MATRISE EN GNIE LECTRIQUE

PAR ABDOUL KARIM TRAOR

GESTION D'UN SYSTME AUTONOME HYBRIDE PHOTOVOLTAQUE OLIEN POUR APPLICATIONS AGRICOLES

JUILLET 2016

Universit du Qubec Trois-Rivires

Service de la bibliothque

Avertissement

Lauteur de ce mmoire ou de cette thse a autoris lUniversit du Qubec Trois-Rivires diffuser, des fins non lucratives, une copie de son mmoire ou de sa thse.

Cette diffusion nentrane pas une renonciation de la part de lauteur ses droits de proprit intellectuelle, incluant le droit dauteur, sur ce mmoire ou cette thse. Notamment, la reproduction ou la publication de la totalit ou dune partie importante de ce mmoire ou de cette thse requiert son autorisation.

ii

Rsum

Aujourd'hui, il est vident que le rchauffement climatique a un impact sur la plante. Une

de ses consquences se remarque par la dsertification de plusieurs rgions dans le monde,

y compris le Sahel o la capacit de production agricole de plusieurs centaines de milliers

de personnes, est affecte. La dsertification dans la zone sahlienne en Afrique de l' Ouest

est lie la scheresse et l' utilisation abusive par l' Homme des ressources

environnementales. De ce fait, les agriculteurs dans cette zone voient leur production

agricole diminuer. Afin de remdier cette situation, une des meilleures ides est

l' utilisation de sources d 'nergies renouvelables (SER) pour satisfaire les besoins en

nergie des applications agricoles, notamment l' irrigation des terres. Cependant, il ne suffit

pas seulement d' avoir des sources d'nergies renouvelables pour rsoudre le problme,

mais un systme de gestion efficace est ncessaire pour prendre des dcisions pour une

meilleure utilisation de l'nergie disponible.

Ce travail de recherche vise principalement apporter une contribution la comprhension

et la gestion d 'nergie des systmes autonomes hybrides nergies renouvelables avec

stockage lectrochimique pour les applications agricoles en milieux tropicaux. Pour ce

faire , ce mmoire propose une mthode de gestion d'nergie d ' un systme autonome

hybride photovoltaque-olien pour applications agricoles. La mthode de gestion adopte

consiste l'laboration d'un algorithme de gestion capable non seulement d'assurer la

rgulation du niveau d'eau dans le rservoir, mais aussi de satisfaire la demande de la

charge et de protger les batteries contre la surcharge et la dcharge profonde.

Ce mmoire prsente une introduction aux nergies renouvelables utilises dans les

applications agricoles, notamment l' utilisation de l'o lien et des panneaux

iii

photovoltaques, la problmatique relie la gestion d ' nergie d ' un systme autonome

hybride nergies renouvelables est galement aborde. L'tat de l' art sur la gestion

optimale des flux d ' nergie dans les systmes hybrides nergies renouvelables ainsi que

diffrentes stratgies de gestion d ' nergie sont prsents. Le systme autonome hybride

nergies renouvelables tudi dans le cadre de ce projet est constitu d ' un sous-systme

photovoltaque (panneaux photovoltaques et convertisseur de puissance), d ' un sous-

systme olien (turbine olienne entrainant une gnratrice synchrone triphase aimants

permanents et un redresseur), d ' un sous-systme de stockage d ' nergie court terme

(accumulateurs lectrochimiques), d ' un systme de pompage d ' eau (groupe motopompe et

rservoir) et des charges lectriques (rfrigrateur, climatiseur, lampes). Chaque

composant de ce systme hybride a t tudi, modlis et simul dans l' environnement

MATLAB/Simulink. Le dimensionnement du systme de pompage d ' eau et du banc de

batteries est une partie intgrante de ce mmoire. Aprs avoir modlis et dimensionn le

systme hybride, trois stratgies de gestion d ' nergie ont t proposes et tudies afin

d' valuer les performances de l'ensemble du systme autonome photovoltaque olien. Au

bout d ' une tude comparative des trois stratgies de gestion d' nergie, la meilleure

stratgie a t implmente en technologie d'intgration trs grande chelle (VLSI) sur

une carte FPGA. Afin de procder la vrification de la meilleure stratgie de gestion,

nous avons fait de la Co-Simulation entre MA TLAB/Simulink et une carte FPGA.

iv

REMERCIEMENTS

Avec ce mmoire qui vient clturer deux annes d'tudes, je tiens remercier tous ceux

qui ont contribu l'accomplissement de ce travail de recherche, et qui ont marqu, par

leur prsence, une tape essentielle de ma vie.

Je tiens adresser ma reconnaissance mes directeurs de recherche, Mamadou Lamine

Doumbia et Kodjo Agbossou, professeurs au dpartement gnie lectrique et informatique

de l'Universit du Qubec Trois-Rivires, leurs conseils judicieux, pour leurs

disponibilits et leurs soutiens financier et matriel.

Mes remerciements vont galement l' endroit de mon supervIseur, Alben Cardenas

Gonzalez, agent de recherche l' Institut de Recherche sur l'Hydrogne, pour son soutien,

sa disponibilit et sa patience.

Sincres remerciements l'Institut de Recherche sur l'Hydrogne et tout le personnel.

Ce projet est ralis grce l'appui financier de l'Agence universitaire de la Francophonie

(AUF) travers le programme Grandes initiatives de recherche, d'animation et de

formation (GIRAF).

Infinie gratitude tous ceux qui, de prs ou de loin, ont contribu l'accomplissement de

ce travail et qui ont fait preuve de parfaite collaboration tout au long de ce projet.

v

Table des matires

Rsum ................................................................................................................................ ii

Remerciements .................................................. ......................................................... .... .... iv

Table des matires .......................................................... .... ............................. ..................... v

Liste des tableaux ................................................................................... ... ......................... ix

Liste des figures .... ... .. .............. ......... .... ..... ..... ....................................................... .... .......... x

Liste des symboles et abrv iations ................................................................................... xiii

Chapitre 1 - Introduction aux nergies renouvelables dans les applications agricoles .... .... 1

1.1. Problmatique relie la gestion d ' un systme autonome hybride nergies

renouvelables ............ .................. .................................................................................. 1

1.2. Objectifs du mmoire .......................... .. ........................................ ...... ......................... 8

1.3. Mthodologie ............... ........................................................................................... ..... 8

1.4. Organisation du mmoire ..................... ..... ................................. .... ............... .. ..... ... ... .. 9

Chapitre II - Gestion optimale des flux d ' nergie dans les systmes hybrides d 'nergie .11

2.1. Qu'est-ce qu'un systme hybride d ' nergie? .................................. ......................... ... 11

2.2. Importance de l' hybridation ... ........... ...... ............................................... ......... .. .... .. .... 12

2.3. tat de l'art sur les systmes hybrides nergies renouvelables ...... ...................... ... .l3

2.4. Combinaisons de Systmes hybrides nergies renouvelables .. ........................ ........ l7

2.4.1. Architecture bus CC .. .................... ................................................ .... .................. 18

vi

2.4.2. Architecture bus CA .............. ............ ..... ..... ........................................ .... ............ 19

2.4.3. Architecture mixte bus CC/CA ............................ .. ............... .................... .. ...... .. 19

2.5. tat de l'art sur la gestion optimale des flux d'nergie dans les systmes hybrides

nergies renouvelables ..... .... ............. ........... ...... ............................... .. .................. ....... 20

Chapitre III - Modlisation dynamique du systme hybride photovoltaque-olien pour

applications agricoles ......................................................................................................... 24

3.1. Modlisation du panneau photovoltaque ..................................... ........... ................... 25

3.1.1. quations rgissant le comportement de la cellule photovoltaque ....... ................ 25

3.1.2. Modle Simulink du panneau photovoltaque ............................. ........ ... ... ............ 30

3.2. Modlisation de la chaine de conversion olienne ............... ..... ..... ............................. 33

3.2.1. Modlisation de la turbine olienne ....................................................................... 35

3.2.1.1. Puissance de la turbine olienne ................. .... ............... ............ ........................... 35

3.2.1.2. Contrle et 1 im itation de la puissance de la turbine olienne ............................... 3 7

3.2.2. Modle Simulink de l'o lienne .............................................................................. 37

3.3. Modlisation du systme de pompage ... ...................................................... .............. .40

3.3.1. Dimensionnement du systme de pompage .......................................................... .41

3.3.1.1. Analyse des beso ins et des conditions d'exploitation .......... ................................ .43

3.3.1.2. Estimation des besoins en eau et dimensionnement de la pompe ........................ .44

3.3.2. Dimensionnement et modlisation du rservoir de stockage d'eau .... ................... 50

3.3.2.1. Dimensionnement du rservoir ............................................................................. 50

3.3.2.2. Modlisation du rservoir ........................................... .. ..................... .... ............... 51

3.4. Modlisation du systme de stockage ..................... ... ........ .. .. .. ................................... 52

3.4.1. Modle Simulink du systme de stockage lectrique ............................................ 53

vii

3.4.2. Dimensionnement du banc de batterie ................................................................... 54

3.5. Profil de consommation lectrique ............. ....................................... .... ..................... 55

Chapitre IV - tude comparative de trois stratgies de gestion d 'un systme autonome

hybride photovoltaque-olien pour applications agricoles ............................................... 57

4.1. Stratgies de gestion d'un systme hybride d 'nergie ... ............................................. 57

4.1.1. Gestion du stockage ............................................................................................... 58

4.1.2. Gestion des charges ............................................. ... ............................................ .... 59

4.2. Stratgies de gestion du systme autonome hybride photovoltaque-olien pour

applications agricoles ................................................................................................... 60

4.2.1. Stratgie de gestion # 1 ... ...... ................ ............. ... ............... .. ........ ... ........ ........ .... . 61

4.2.1.1. Description de la stratgie de gestion ............ .... ............................................. ...... 61

4.2.1.2. Rsultats de simulation ......................................................................................... 66

4.2.2. Stratgie de gestion # 2 .......................................................................................... 69

4.2.2.1. Description de la stratgie de gestion ..................................... .. ... .. ...... ................. 69

4.2.2.2. Rsultats de simulation ....... ..... ..... ..... ..................... ... ........................................... 71

4.2.3. Stratgie de gestion # 3 .......................................................................................... 73

4.2.3 .1. Description de la stratgie de gestion ................................................................... 73

4.2.3.2. Rsultats de simulation ....... ......... ... .... .............................................. .. .. ...... .. ..... ... 74

4.3. tude comparative des trois stratgies de gestion .................................................. ..... 76

4.3.1. tat de charge des batteries .................................................................................... 77

4.3.2. Niveau d 'eau dans le reservoir. .............. .. .................................. ....... ..................... 79

4.3 .3. Charges lectriques ...... .. ............................................................................... ... ...... 81

viii

Chapitre V - Implmentation de l'algorithme de gestion en technologie d ' intgration

trs grande chelle (VLSI) ...... ... ............... ........ ........... .... ........... ...... ... ................ .. ..... ..... . 83

5.1.Vrification du code VHDL l' aide du simulateur TSim ..... ........ ... .......... ..... ........ ... .. 85

5.2. Co-Simulation et implmentation de la stratgie de gestion sur une carte FPGA .... .. 86

Chapitre VI - Conclusions et recommandations ................ .... ...... .. .. ........ .............. ...... .. .. .. 90

6.1. Conclusion gnrale ...... .. ...................... .. .......................... ........... ... ................ .. ....... ... 90

6.2. Recommandations ........................ ...... .................... ........ ................................ .... ....... .. 91

Rfrences ............... .................. .... .. .................... .... ..................... ... ... ... .................... ..... .... 93

Annexe A - Programme Matlab de la Cellule photovoltaque .. .. ..................... .......... .... .1 02

Annexe B - Calcul des pertes de charge dans la tuyauterie ......... .. ....................... .. ........ l 03

Annexe C - Les blocs internes de la figure 4 .8 du chapitre IV ........................... ... ......... 1 05

Annexe D - Conception de l' algorithme de gestion en langage VHDL dans Xilinx ISE

Design Suite 14.6 ... ............. .............................. .. ........ ... ........................................................... 107

Annexe E - Description de l' algorithme de gestion # 3 en langage VHDL .......... ...... .. .. 112

Annexe F- Programme test ben ch de l' algorithme de gestion # 3 .. .. ......................... ... .. 115

ix

Liste des tableaux

Tableau 3-1 Informations techniques du module PV KC65T .......................................... 32

Tableau 3-2 Caractristiques de l' olienne BWC Excel S ........ .............................. ... ...... 39

Tableau 3-3 Besoins en eau par hectare en fonction de la zone gographique ................ .45

Tableau 3-4 Dtennination des besoins en eaujoumaliers de l'installation de pompage 46

Tableau 3-5 Dtermination de la hauteur manomtrique totale (HMT) .......................... 46

Tableau 3-6 Efficacit, avantages et inconvnients du type d ' irrigation ......................... .48

Tableau 4-1 Rsultats de simulation de la stratgie de gestion # 1 ................................. . 69

Tableau 4-2 Rsultats de simulation de la stratgie de gestion # 2 ..................... .... ..... .... 73

Tableau 4-3 Rsultats de simulation de la stratgie de gestion # 3 ................... ........... .... 76

Tableau 4-4 Alimentation des charges lectriques ... ..................... .. ................... ......... .... . 82

x

Liste des figures

Fig.l.l : Systme autonome hybride photovoltaque-olien avec stockage lectrochimique

pour le pompage d ' eau .. ..... ........ ........... .......... ......................................... .. ..... ...... ... .. ........ .. 7

Fig. 2.1 : Systme hybride nergies renouvelables ................... .. ....... .... ......... .... .. .......... 17

Fig. 2.2 : Structure de SHER bus courant continu .................. .... .............. .... ........... .... 18

Fig. 2.3 : Structure de SHER bus courant alternatif ... ............. .......... ..... ... ... ..... .......... . 19

Fig. 2.4 : Structure de SHER bus courant continu/courant alternatif.. .. ............... ... ..... 20

Fig. 3.1 : Circuit quivalent de la cellule photovoltaque .... ..... ..... ..... ...... .. .. ................ ..... 25

Fig. 3.2 : Courbes de la puissance en fonction de la tension de la cellule photovoltaque 29

Fig. 3.3 : Courbes du courant en fonction de la tension de la cellule photovoltaque .... ... 30

Fig. 3.4 : Disposition des modules photovoltaque de l' IRH .......................... .... ........ .... ... 31

Fig. 3.5 : Modle PV dans l' environnement Matlab/Simulink ............... ..... .... ... ... ............ 33

Fig.3.6: Profil de rayonnement solaire de 21 jours (Dakar (Sngal)) ................... ........ .. 33

Fig. 3.7 : Chaine de conversion olienne .......................... ... ............................ ...... ... ....... .. 34

Fig. 3.8 : Courbes Cp en fonction de pour diffrentes valeurs de P .. ........ ......... ... ... ..... .. 36

Fig. 3.9 : Modle Simulink de l' olienne ........ .................. ... .. ........ ........... ........ ... .. ... ..... ... 38

Fig. 3.1 0 : Profil de vent de 21 jours de la rgion de Dakar (Sngal) ............................. 39

Fig. 3.11 : Profil de consommation d ' eau de 21 jours d ' opration ................. ......... ... ...... .49

xi

Fig. 3.12 : Rservoir de stockage d ' eau .. ... ....... ...... ...... ....... .... ........ .. ... .. ......... ... .. ... .. ... .... . 51

Fig. 3.13 : Profil de consommation lectrique de 21 jours d 'opration .......... ....... ........ .... 56

Fig. 4.1 : Diagramme de priorits des charges ... .... .... ...... .. .................... ........ .. .... ..... ......... 59

Fig. 4 .2 : Organigramme de la stratgie de gestion # 1 .......... ..... ... ... ... ...... ......... .. .. ....... ... 66

Fig. 4.3 : Rsultats de simulation de la stratgie de gestion # 1 ... ........ ............... .. ......... ... 67

Fig. 4.4 : Organigramme de la stratgie de gestion # 2 ......... .. ............. .. ........ .. ... ........ ...... 70

Fig. 4.5. Rsultats de simulation de la stratgie de gestion # 2 ................... .... ........... .... .. . 72

Fig. 4.6 : Organigramme de la stratgie de gestion # 3 .... ..... .... .......... ........... ........ ...... .... . 74

Fig. 4.7 : Rsultats de simulation de la stratgie de gestion # 3 ............... .... .... ... .. ....... ..... 75

Fig. 4.8 : Systme hybride implant dans l' environnement MA TLAB/Simulink ............. 77

Fig. 4.9: Courbes d ' tat de charge des batteries pour les trois stratgies de gestion ... ...... 78

Fig. 4 .10 : Temps de fonctionnement des batteries ... ................ .. ..... ... ................ ..... ...... .. . 78

Fig. 4.11 : Variation du niveau d ' eau dans le rservoir pour les troi s stratgies de gestion

............ ................ ......... ..................... .. .. ... ....... .. .. .... ................... .. ... ............. ..... ...... .... .... .... 80

Fig. 4 .12: Niveau d ' eau dans le rservoir .... ...... ...... .. ....... ...... ........ ... ............ ....... ... ..... .... . 80

Fig. 4.13: Alimentation des petits appareils de la ferme .. .... .............. ....... ............... .... .. ... . 81

Fig. 5.1 : Model-Based Design ... .. ...... ..... ............. ..... ... ...... ..... ............ ......... ...... ....... ... ..... . 84

Fig. 5.2: Model Based Design for FPGA ......... .... .. ............. ......... ... .... ... ....... .... ..... .......... .. 84

xii

Fig. 5.3 : Processus de vrification du code VHDL ......... ... ........ ............ ..... ......... ... ......... 86

Fig. 5.4 : Vrification du code VHDL dans Isim Simulator.. ... ............ ........ ... ............ ...... 86

Fig. 5.5 : Bloc Black Box de la stratgie de gestion ............. ......... ..... ..... .... .... .. .... ...... 87

Fig. 5.6 : Bloc de Co-Simulation hwcosim de la stratgie de gestion ..... ....... .......... .. ....... 88

Fig.5 .7 : Modle de Co-Simulation du systme hybride dans l' environnement

Matlab/Simulink ... ..... ............. .... .......... ........ ..... ... ...... .............. ... .... ............ ........ .......... .... 89

CA

CC

Cp

FPGA

GD

H

Hg

Href

Hmin

HDL

HMT

IRH

IEEE

LREE

MPPT

PV

P pompe

Ppv

Pw

PMS

PMSG

Q

Qb

Qe

Qs

S

SER

Liste des symboles et abrviations Courant Alternatif

Courant Continu

Coefficient de performance

Field Programmable Gate Array

Gnrateur Diesel

Niveau d 'eau dans le rservoir

Hauteur gomtrique

Niveau d 'eau de rfrence dans le rservoir

Niveau d 'eau minimum

Hardware Description Language

Hauteur Manomtrique Totale

Institut de Recherche sur l'Hydrogne

Institute of Electrical and Electronics Engineers

Laboratoire de Recherche en nergie olienne

Maximum Power Point Tracking

Panneau Photovoltaque

Puissance de la pompe

Puissance du panneau photovoltaque

Puissance de l' olien

Power Management Strategy

Permanent Magnet Synchronous Generator

Dbit d 'eau

Capacit du banc de batterie

Dbit d' entre dans le rservoir d 'eau

Dbit de sortie du rservoir d'eau

Surface du rservoir d 'eau

Sources d ' nergies Renouvelables

xiii

SHER

SOC

SOC.nin

SOCmax

VHDL

VLSI

~

b.H

Systme Hybride nergies Renouvelables

State of Charge

tat de charge minimum

tat de charge maximum

Very high speed integrated circuits Hardware Description Language

Very Large Scale Integration

Angle de calage

Somme des pertes de charge

xiv

CHAPITRE 1

Introduction aux nergies renouvelables dans les

applications agricoles

1

1.1. Problmatique relie la gestion d'un systme autonome hybride nergies

renouvelables

Le degr de dveloppement d'une socit peut tre exprim en termes de son aptitude

croissante rencontrer un certain nombre de besoins : la nourriture, le logement, la sant,

les vtements, les facilits de dplacement, l' instruction, l' information, la culture,

l' exercice de droits civils, la qualit de l' environnement naturel , les sports et loisirs, etc.

La plupart des activits, mentionnes ci-dessus, requiert de l' nergie des degrs

divers. Cette nergie est soit consomme directement par les utilisateurs ou est ncessaire

pour la production des biens et services associs ces activits.

Ainsi, la disponibilit d'nergie est une pr-obligation pour le dveloppement socio-

conomique et industriel d ' un pays.

Aujourd'hui, il est vident que les besoins mondiaux en nergie sont combls en grande

partie par des nergies fossiles. Or, il a t prouv que la consommation massive de ces

types d'nergies a un effet nfaste sur la plante (le rchauffement climatique). Un des

inconvnients du rchauffement climatique se remarque par la dsertification de plusieurs

rgions dans le monde, y compris le Sahel o la capacit de production agricole de plusieurs

centaines de milliers de personnes est affecte. Cette dsertification est augmente dans

2

certaines rgions en raison de l' utilisation du bois comme source primaire d 'nergie. Une

des meilleures ides pour contrer la dsertification est l' utilisation de sources d 'nergies

renouvelables (SER) pour satisfaire les besoins en nergie des applications agricoles

notamment l' irrigation des terres .

D' aprs Global Energy Assessment, en 2013, les sources d' nergies renouvelables

couvrent environ 20% de la consommation mondiale d 'nergie [1] . De nos jours, diffrents

types de SER sont utiliss dans les applications agricoles. L' nergie solaire photovoltaque

est la plus utilise dans les applications agricoles, ensuite l' olien. Les autres types de SER

sont d ' une importance mineure pour l'irrigation. Pour satisfaire les besoins en nergie et

rduire les impacts environnementaux, l'ide d ' utiliser les sources d'nergies

renouvelables telles que l' nergie solaire photovoltaque [2]-[7] , l' nergie solaire

thermique [8] , l' nergie olienne [9], [10] , la biomasse [11] et les systmes hybrides

nergies renouvelables [12]-[ 14] pour pomper l' eau , a t propose par de nombreux

chercheurs travers le monde.

Dans les applications agricoles, le pompage photovoltaque est de loin le plus utilis.

Ce type de systme est constitu gnralement de panneaux solaires, d 'une unit de

commande et d' un groupe motopompe. Dpendamment du dimensionnement du systme,

il est parfois ncessaire d' utiliser des batteries de stockage et un rgulateur de charge.

cause de la nature intermittente du rayonnement solaire, il est plus intressant de faire du

pompage avec batteries. Cela permet d 'viter des problmes d' adaptation entre le

gnrateur photovoltaque et le groupe motopompe. Il permet aussi un pompage rgulier

durant toute la journe. Cependant, pour des raisons de simplicit du systme et de cot, il

est prfrable de stocker l' eau dans un rservoir plutt que de stocker l' nergie dans les

3

batteries. Le pompage photovoltaque sans batterie, communment appel pompage au

fil du soleil , permet d'avoir un systme photovoltaque plus simple, plus fiable et moins

coteux qu ' un systme avec batteries [4]. L' eau pompe est stocke dans un rservoir situ

une certaine hauteur au-dessus du sol. Elle est ensuite distribue par gravit au besoin. Il

est important de dimensionner le rservoir d'eau pour au moins trois jours d' autonomie

[15] , [16]. D'aprs les rfrences [4] et [15] , compte tenu du cot additionnel du systme

avec batterie et des problmes de maintenance de la batterie et de l' obligation de la

remplacer aprs 3 5 ans d ' usage, la solution au fil du soleil est prsentement prfre.

Cependant, celle-ci prsente certains inconvnients qu ' il ne faut pas ngliger:

Il est impossible de pomper au-dessous d ' un certain niveau d' clairement, la

pompe ne pouvant pas tre amorce sous une certaine puissance fournie . Il y a donc

perte d ' nergie au dbut et la fin de la journe;

Le rendement des pompes diminue en dehors de leur puissance nominale de

fonctionnement, le systme ncessitera l' utilisation d ' un adaptateur de charge;

Le dbit de la pompe ne sera pas constant.

la lumire de ce qui prcde, les sources d ' nergies renouvelables les plus courantes

pour les applications agricoles sont l' nergie solaire et l' nergie olienne. L' utilisation

d' olien pour pomper l' eau ne date pas d ' aujourd ' hui . Jadis, les oliens taient utilises

comme source d' nergie pour pomper l' eau de faon mcanique et sont encore

couramment utilises dans de nombreux pays en voie de dveloppement. L' nergie

olienne est l' une des sources les plus prometteuses pour les applications de pompage

d' eau. Les oliennes modernes utilisent des gnrateurs pour produire du courant alternatif

(CA) ou du courant continu (CC). Ces gnrateurs sont connects des pompes

4

fonctionnant avec des moteurs CA ou Cc. Les recherches rcentes et pertinentes sur des

applications de pompage olien montrent que:

Les systmes de pompage d 'eau base d 'nergie olienne sont mieux adapts pour

les applications d ' irrigation [17] ;

C'est une technologie alternative conomiquement viable pour les systmes

d' irrigation [18] ;

Le systme olien peut tre utilis avec succs pour le pompage d 'eau souterraine

dans les rgions loignes, o les ressources oliennes sont disponibles [19].

D' ailleurs, une tude comparative entre les systmes photovoltaque et olien pour les

systmes de pompage d 'eau dans les rgions du Sahara a t mene en Algrie [20]. Il

ressort de cette tude que le cot par mtre cube d 'eau produite par le systme de pompage

olien est moins cher que celle produite par le systme photovoltaque. Les auteurs ont

propos l' nergie olienne comme une solution alternative pour le pompage d 'eau en

raison de sa faisabilit technique et conomique par rapport au systme de pompage

photovoltaque.

Cependant, les principales limitations de cette technologie d 'aprs [21] sont :

La vitesse du vent n'tant pas constante dans le temps, cela affecte grandement la

performance d ' une telle technologie ;

Comparativement au systme photovoltaque, le systme olien prsente des

contraintes supplmentaires. Ainsi , l' entretien est ncessaire pour les composants

mcaniques.

Au cours de la dernire dcennie, de nombreuses recherches ont t menes sur

l' utilisation de sources d 'nergies renouvelables pour le pompage d' eau mais trs peu

5

d'tudes ont t effectues sur les systmes hybrides nergies renouvelables pour pomper

l'eau [21). Il est vident que les nergies olienne et solaire sont une solution alternative

pour l' irrigation des terres agricoles. Toutefois, le principal inconvnient de ces systmes

est li leurs caractristiques stochastiques, ce qui limite leur mise en uvre en tant que

source d'nergie primaire dans les zones rurales [22). Une solution alternative est de

combiner une ou plusieurs sources d ' nergie renouvelable pour former un systme hybride

nergies renouvelables (SHER). Les systmes hybrides conus pour fonctionner dans les

applications agricoles sont plus flexibles et fiables . Une tude sur les perfonnances de

systme de pompage olien, systme de pompage photovoltaque et systme de pompage

hybride a t mene en Grce dans la ville de Xanthi [21). Les auteurs rapportent que les

performances d ' un systme de pompage hybride sont meilleures que celles des systmes

olien et photovoltaque individuellement. lis ont galement conclu que les systmes de

pompage hybrides sont adapts pour les petits systmes de pompage d ' eau. En d ' autre

terme, les systmes hybrides nergies renouvelables pour le pompage d ' eau prsentent

un intrt considrable par leur flexibilit et leur souplesse de fonctionnement.

D ' aprs le Laboratoire de Recherche en nergie olienne (LREE) de l' Universit du

Qubec Rimouski [23], un systme hybride doit notamment:

Assurer, en tout temps, l' nergie suffisante demande par la charge et, si possible,

produire le maximum d ' nergie partir des sources d ' nergie renouvelable, tout

en maintenant une qualit dtermine de l ' nergie fournie;

Obir des rgles d ' exploitation temps-rel bases sur une priorisation

conomique des ressources nergtiques disponibles;

6

Compter sur une gestion automatise des composants du systme afin de garantir

la stabilit du systme en tout temps, y compris dans les transitions entre les

diffrents modes d ' opration du systme.

Les performances d' un SHER, le rendement et la dure de vie sont influences, d' une

part, par le dimensionnement des composants, et d' autre part, par le choix de la stratgie

de fonctionnement. La stratgie de fonctionnement est primordiale dans un systme

hybride d' nergie car c ' est elle qui prend les dcisions lies aux flux d' nergie l'chelle

de plusieurs heures ou jours et des actions pour amliorer le fonctionnement du systme.

Cette stratgie de fonctionnent est un algorithme qui permet au systme de supervision

d' un SHER de dcider quelles charges sont connectes et comment utiliser le stockage, si

disponible. Bref, le dfi fondamental dans le fonctionnement de ces systmes hybrides est

la gestion de la puissance dlivre la charge [22]. Par consquent, un systme de gestion

efficace est ncessaire pour prendre des dcisions pour une meilleure utilisation de

l' nergie disponible. Le problme principal dans la gestion des systmes hybrides

d' nergie est de pouvoir fournir la puissance demande par la charge malgr les fortes

variations de l' nergie produite. Les variations de la production d ' nergie sont causes par

la nature stochastique des ressources renouvelables. Par cette tude, nous voulons apporter

notre contribution la comprhension et l' tude de la gestion d' nergie d ' un systme

autonome hybride photovoltaque-olien pour des applications agricoles notamment pour

l' irrigation.

Ce travail de recherche est bas principalement sur le dveloppement d' un

algorithme de gestion de puissance d' un systme autonome hybride photovoltaque-olien

pour l' irrigation de terre agricole. La stratgie de fonctionnement qui sera dveloppe pour

7

le systme autonome hybride doit s'adapter aux variations de la vitesse du vent et de

l'irradiation solaire. L'objectif de toute stratgie de gestion est d'optimiser l' change

d'nergie et de puissance entre les diffrents composants du systme tout en garantissant

la stabilit du systme en tout temps. Par ce travail , nous comptons apporter notre

contribution la comprhension et la gestion de puissance de systme autonome hybride

nergie renouvelable avec stockage lectrochimique pour les applications agricoles en

milieux tropicaux. Le systme hybride nergies renouvelables est compos d'un sous-

systme photovoltaque constitu de panneau photovoltaque et de convertisseur de

puissance; d ' un sous-systme olien comprenant une turbine olienne entrainant une

gnratrice synchrone aimant permanent et un redresseur; d ' un sous-systme de stockage

d'nergie court terme, c ' est--dire des accumulateurs lectrochimiques; d ' un systme de

pompage d ' eau constitu d ' une pompe centrifuge, d ' un moteur et d'un rservoir d ' eau; et

enfin des charges lectriques domestiques (Fig.l.l).

Turbine olienne

~~~~~~ ~!! ii !!.!! ii ~~~!!~!!I iii.iiiiiiii

Panneaux V

Convertisseur Convertisseur CAiCC CC/CC

Convertisseur CC/CC

Banc de .... _________ ..

batterie 48VCC Convertisseur

CC/CA

Charges CA

Rservoir d'eau

Fig.l.l : Systme autonome hybride photovoltaque-olien avec stockage

lectrochimique pour le pompage d ' eau

8

1.2. Objectifs du mmoire

Ce projet a pour objectif principal de dvelopper un algorithme de gestion pour les

systmes autonomes hybrides photovoltaque-olien pour les applications agricoles

notamment l' irrigation en milieu rural dans les pays tropicaux. Pour atteindre cet objectif

principal , nous nous sommes fixs les objectifs spcifiques ci-dessous:

tudier la gestion de puissance de systme hybride nergies renouvelables;

Modliser les deux sous-systmes de production d'nergie (solaire, olien), le sous-

systme de stockage d'nergie (banc de batteries), le sous-systme de pompage

d 'eau (pompe et rservoir) et les charges lectriques;

Dimensionner le systme de pompage ;

Proposer un algorithme de gestion de puissance du systme hybride ;

Implmenter l' algorithme de gestion en technologie d ' intgration trs grande

chelle (VLSJ);

1.3. Mthodologie

Pour commencer ce projet, une recherche bibliographique tendue sur l' utilisation

de sources d 'nergies renouvelables dans les applications agricoles est d' abord effectue,

ce qui permet d ' identifier les tendances de la recherche dans ce domaine. De mme une

recherche bibliographique est mene sur la gestion d'nergie de systmes hybrides

photovoltaque-olien, ceci a pour effet de dterminer les diffrentes stratgies de

fonctionnement d ' un systme hybride d 'nergie. L' laboration d ' une stratgie de gestion

requiert le dveloppement d ' un modle complet du systme hybride photovoltaque-olien.

C' est pourquoi , les sous-systmes (photovoltaque, olien, stockage et pompage) seront

tudis, modliss et simuls dans l' environnement MATLAB/S imulink. la lumire de

9

ce qui prcde, on sait que les performances d ' un systme hybride dpendent beaucoup du

dimensionnement des composants du systme. C' est la raison pour laquelle, nous

procderons au dimensionnement du systme de pompage selon les caractristiques relles

d' une installation type. Par la suite, un algorithme de gestion de l' ensemble du systme

hybride sera propos et implment en technologie d ' intgration trs grande chelle

(VLSI) . Pour la validation exprimentale, on implmentera l' algorithme de gestion en

langage de description matriel VHDL pour l' embarquer dans un FPGA et faire de la co-

simulation.

1.4. Organisation du mmoire

Le mmoire est organis en six chapitres et reparti comme suit:

Le deuxime chapitre fait l' objet d ' une recherche bibliographique sur la gestion de

systmes hybrides d' nergie.

Le chapitre 3 porte sur la modlisation dynamique de l' ensemble du systme

hybride, du dimensionnement du systme de pompage selon les caractristiques relles de

l'installation et du dimensionnement du banc de batteries.

Le chapitre 4 est consacr l'tude comparative de trois stratgies de gestion du

systme autonome hybride photovoltaque-olien pour applications agricoles. L' analyse

des rsultats de simulations sont aussi prsents.

Dans le chapitre 5, l' implmentation de l' algorithme de gestion en technologie

d ' intgration trs grande chelle (VLSI) est prsente.

10

Enfin, dans le chapitre 6, une conclusion gnrale du projet de recherche est

prsente et des recommandations sont nonces.

11

CHAPITRE II

Gestion optimale des flux d'nergie dans les systmes

hybrides d'nergie

Ce chapitre prsente les stratgies de fonctionnement d'un systme hybride

nergies renouvelables. Avant de commencer de parler des stratgies de fonctionnement

d ' un systme hybride, il est important de savoir c ' est quoi un systme hybride d'nergie et

l' importance de l'hybridation.

En premier lieu, quelques combinaisons de systmes hybrides nergies

renouvelables seront prsentes. Plusieurs combinaisons de systme hybride nergies

renouvelables peuvent exister, cependant seulement le systme hybride photovoltaque-

olien sera trait en dtail.

2.1. Qu'est-ce qu'un systme hybride d'nergie?

De faon gnrale, un systme hybride d ' nergie est un systme qui combine diffrents

systmes de production. Par exemple, la combinaison olien-diesel est un systme hybride

d 'nergie. D'aprs [23] , de nos jours, les systmes hybrides d'nergie associent au moins

deux technologies complmentaires : une ou plusieurs sources d'nergie classiques,

gnralement des gnrateurs au diesel, et au moins une source d'nergie renouvelable.

Les systmes hybrides d'nergie sont gnralement autonomes par rapport aux grands

rseaux interconnects et sont souvent utiliss dans les rgions isoles. Les systmes

hybrides nergies renouvelables sont fiables, sans pollution et permettent de rpondre

la demande d 'nergie sur de longues priodes.

12

2.2. Importance de l'hybridation

Aujourd ' hui , il est devenu impratif pour les chercheurs de trouver en dehors des

nergies fossiles et fissiles d ' autres sources d ' nergie propre et renouvelable. Il s'agit entre

autre des nergies provenant des sources comme le soleil , le vent, la gothermie, la

biomasse et l' ocan. Ces sources d ' nergie propre et durable sont favorables

l' environnement contrairement aux sources d ' nergie conventionnelles. Toutefois, ces

sources d' nergies renouvelables varient en fonction du temps de la journe, de la saison

et de l' anne. La nature alatoire de ces sources a conduit les chercheurs se tourner vers

l' hybridation, c' est--dire la combinaison de deux ou plusieurs sources d' nergies

renouvelables. L 'hybridation apporte donc au systme une disponibilit accrue et un

approvisionnement constant des charges en nergie.

D'aprs le Laboratoire de Recherche en nergie olienne de l' Universit du

Qubec Rimouski [23] , la combinaison de plusieurs sources d ' nergie, surtout les

renouvelables, permet d ' optimiser au maximum les systmes de production d ' lectricit,

aussi bien du point de vue technique qu ' conomique. L 'hybridation des sources d ' nergies

renouvelables a un intrt considrable par leur flexibilit incomparable, leur souplesse de

fonctionnement et leur prix de revient attractif.

De plus, l' hybridation permet de :

Lisser la puissance dlivre par la source d' nergie;

Palier pendant une dure limite une indisponibilit partielle ou totale de la

source d' nergie.

13

Cependant, ces solutions exigent un dimensionnement laborieux pralable bas sur

une connaissance approfondie du gisement en nergies renouvelables du site

d ' implantation en amont, une gestion rigoureuse de l' nergie lectrique produite l' aval.

Cette gestion rigoureuse de l' nergie s ' appuie sur l' intell igence des dispositifs de

rgulation et de contrle.

2.3. tat de l'art sur les systmes hybrides nergies renouvelables

Au cours des dernires annes, beaucoup de recherches ont t effectues sur la

conception, l' optimisation, le contrle et l'opration des systmes hybrides nergies

renouvelables. Les efforts de recherche et de dveloppement dans les technologies

d' nergie renouvelable comme le solaire, l' olienne et d ' autres sources d ' nergie

renouvelable doivent continuer afin d ' amliorer leurs performances et fiabilit. Compte

tenu des rcents dveloppements, il est clair que ce domaine prend de l' ampleur. A cause

de la nature stochastique des sources d'nergies renouvelables, il est vident que les

systmes hybrides nergies renouvelables doivent comprendre au moins un systme de

stockage d'nergie pour satisfaire la demande des charges tout instant. Le systme de

stockage d' nergie peut tre un banc de batteries, un ensemble lectrolyseur et pile

combustible, un supercondensateur ou la combinaison de ces systmes de stockage.

D 'aprs Jos L. et collaborateurs [24] , les systmes autonomes hybrides nergies

renouvelables sont gnralement plus adapts que les systmes qui ont une seule source

d ' nergie pour l' approvisionnement en lectricit des applications hors rseau, en

particulier dans les zones recules et difficiles d ' accs. Ces types de systmes dmontrent

une plus grande fiabilit que les systmes simples photovoltaque (PY) ou olien. Les

systmes hybrides les plus utiliss sont les combinaisons PY -olien-Batterie et PV-Diesel-

14

Batterie. Les batteries (nonnalement de type plomb-acide) sont habituellement utilises

comme systme de stockage. Le stockage d ' nergie sous forme d ' hydrogne, bien que

techniquement viable, a un inconvnient en terme de sa faible efficacit dans le processus

de conversion lectricit-hydrogne-lectricit, outre le fait que, sur le plan conomique, il

ne peut pas rivaliser avec le stockage de la batterie l' heure actuelle [24].

Une revue de littrature a t faite par Prabodh Bajpai et Vaishalee Dash en 2012 sur

les systmes hybrides nergies renouvelables pour la production d' lectricit dans les

applications autonomes [25]. Dans cette tude, les auteurs se sont fix comme objectifs

l' examen minutieux de l' tat de la recherche sur le dimensionnement, l' optimisation, la

gestion nergtique et la modlisation des composants des systmes hybrides nergies

renouvelables. Ils affinnent que les systmes hybrides nergies renouvelables peuvent

fournir une alimentation ininterrompue en nergie et une mission zro de gaz effet de

serre qui est le principal avantage de ces systmes. L' utilisation gnralise de ces systmes

pennettra non seulement de rsoudre les questions nergtiques, mais aussi de garantir une

plante plus verte et durable.

En 2014, Madan A. et al. [26] ont fait une revue sur l' tat de la recherche sur les

systmes hybrides d' nergie. Dans leur tude, plusieurs travaux publis par l' Institute of

Electrical and Electronics Engineers (IEEE), dans des magazines et des actes de

confrences ont t analyss. 11 ressort de cette tude que parmi les sources d' nergies

renouvelables, l' nergie solaire et l' nergie olienne sont les sources les plus utilises dans

la production d' lectricit dans de nombreux pays en dveloppement. Plusieurs systmes

hybrides d' nergie sont analyss et une tude dtaille a t effectue pour diffrentes

stratgies de commande et des algorithmes d ' optimisation ont t incorpors dans

15

diffrentes sources d 'nergie non-conventionnelles. Il se trouve que beaucoup de

chercheurs ont tudi par simulation et exprimentalement les systmes hybrides

d'nergie. Enfin, ils concluent que les systmes hybrides d 'nergie sont fiables ,

conomiques et efficaces pour satisfaire les besoins en nergie.

travers ces diffrentes tudes, nous constatons que les systmes hybrides nergies

renouvelables constituent une solution viable, conomique et efficace pour les rgions

loignes, difficiles d ' accs et dpourvues de rseau lectrique. De ce fait, nous nous

intresserons par la suite la combinaison de systmes hybrides nergies renouvelables

avec des systmes de pompage d ' eau.

En 2013 , une revue de littrature sur les sources d 'nergies renouvelables combines

aux systmes de pompage d 'eau a t mene par C. Gopal et al. [21]. Les auteurs affinnent

que les sources d ' nergies renouvelables pour le pompage d 'eau sont identifies comme

une alternative viable pour remplacer les mthodes classiques de pompage d'eau . Les

combinaisons de systmes de pompage avec les sources d 'nergies renouvelables tudies

dans cet article sont : le systme de pompage photovoltaque, le systme de pompage

solaire thermique, le systme de pompage olien, le systme de pompage avec de la

biomasse et le systme de pompage avec les systmes hybrides d' nergies renouvelables.

Les perfonnances de chacune de ces combinaisons ont t tudies fond et une

comparaison a t effectue entre les diffrentes combinaisons. Les auteurs rapportent que

les perfonnances d' un systme de pompage hybride sont meilleures que celles des

systmes olien et photovoltaque. Ils ont galement conclu que les systmes de pompage

hybrides sont adapts pour les petits systmes de pompage d' eau. En d 'autre tenne, les

systmes hybrides nergies renouvelables pour le pompage d ' eau prsentent un intrt

16

considrable par leur flexibilit et leur souplesse de fonctionnement. Cependant, parmi les

sources d ' nergies renouvelables pour l' irrigation, le systme de pompage photovoltaque

est largement utilis pour l' irrigation et les applications domestiques, suivi par le systme

de pompage olien. Dans cette tude, une attention particulire a t accorde au systme

hybride photovoltaque olien pour le pompage d ' eau. En conclusion, d' aprs les auteurs,

l' utilisation des sources d' nergies renouvelables dans les applications de pompage d' eau

joue un rle essentiel dans la rduction des missions de gaz effet de serre.

Une analyse d ' un systme hybride photovoltaque-olien pour le pompage d ' eau a t

effectue par Brian D. et Byron A. en 2012 [13]. D ' aprs ces deux chercheurs, il existe de

nombreux systmes de pompage d ' eau (par exemple : solaire photovoltaque, diesel ,

olien, etc .), mais trs peu de systmes combinent le photovoltaque et l' olien pour

amliorer ventuellement la fiabilit et les performances du systme. L' objectif pour ces

chercheurs tait de dterminer les avantages et les inconvnients de l' utilisation d' un

systme hybride d ' nergie par rappOli un systme photovoltaque ou olien seul. Il rsulte

de cette tude que le systme hybride de pompage d ' eau pompe 28% plus d' eau que les

systmes photovoltaque et olien auraient pomp individuellement. Par consquent, le

systme hybride semble tre le plus efficace des trois systmes tests.

prsent, les systmes hybrides photovoltaques-oliens pour les applications de

pompage d' eau sont flexibles , performants et efficaces. Un aspect qui est devenu clair,

aprs cet tat de l'art, est la raret des crits sur les systmes hybrides nergies

renouvelables pour l' irrigation mais surtout sur la gestion d ' nergie de ces systmes.

notre connaissance, il y a trs peu d ' articles scientifiques sur la gestion d' nergie des

systmes autonomes hybrides nergies renouvelables pour l' irrigation. Par consquent,

17

nous concentrerons notre effort sur la gestion de systme hybride photovoltaque-olien

pour les applications d' irrigation.

2.4. Combinaisons de SHER

Il existe plusieurs structures ou dispositions de systmes hybrides nergies

renouvelables. L' lectronique de puissance est trs importante dans un systme hybride

nergies renouvelables (Fig.2 .1). Les systmes de stockage comme les batteries et le

stockage d'hydrogne (piles combustible) sont habituellement utiliss.

Enef'gie Rmou\'e1aties

Stockage d'rgie

lectronque depussance

Consommation

Charges

Fig. 2.1 : Systme hybride nergies renouvelables

Un systme hybride nergies renouvelables combine deux ou plusieurs

technologies d' nergies renouvelables comme les panneaux photovoltaques, les oliennes,

les petites turbines hydrolectriques, etc. En outre, il comprend des quipements

d 'lectronique de puissance et des systmes de stockage. Trois architectures s' imposent

parmi les SHER savoir: architecture bus CC, architecture bus CA et architecture

mixte bus CC-CA.

18

2.4.1. Architecture bus CC

Dans cette architecture (Fig.2.2), les composants de production d'nergie

(lectricit) sont tous connects au bus courant continu CC travers des convertisseurs

de puissance. Les composants de production d'nergie CA sont d'abord connects un

redresseur qui se chargera de la conversion CA-CC. Le systme de stockage (par exemple

une batterie ou un accumulateur lectrochimique) est connect au bus CC. Gnralement,

les batteries sont protges contre la surcharge et la dcharge profonde par un rgulateur

de charge. Les charges courant alternatif peuvent tre alimentes en nergie travers un

onduleur. Les batteries et les convertisseurs sont dimensionns pour alimenter des pics de

charge [23]. L'avantage d'une telle architecture rside dans sa simplicit, ce qui permet de

simplifier le systme de commande. Cependant, le rendement de l'ensemble du systme

est faible, parce qu'une certaine quantit d'nergie est perdue cause des batteries et des

pertes dans les convertisseurs.

Sources d' nergie renou1"elable r-- COIl~ertissears (PhotolOltaque, olien etc) de puiSSIlllce

Charges CC

Bu CC

,--_O_Il_dul_e_u_r _....J~I C~?" 1

Systme de stockage

Fig. 2.2 : Structure de SHER bus courant continu

19

2.4.2. Architecture bus CA

La pUIssance fournie par chaque composant de production d'lectricit est

centralise sur un bus courant alternatif (CA). Les gnrateurs CA peuvent tre

directement connects sur le bus CA ou avoir besoin d 'un convertisseur CA/CA. Les

gnrateurs CC utilisent un onduleur pour tre connects sur le bus CA. Les batteries sont

lies au bus CA travers un convertisseur bidirectionnel. Les charges CC peuvent

ventuellement tre alimentes par les batteries.

PhotoToltai[ue olien Hydrolectricit

ConTertissear ConTertisseur Con T ertiss eur CC CA CA-CA CA-CA

Bus C-\.

1 CouTertDear 1 CA-CC

+ 1 Charges 1 1

Charges

1 + 1 CC CA

1 ~-stme de stockage

1

Fig. 2.3 : Structure de SHER bus courant alternatif

2.4.3. Architecture mixte bus CC/CA

Dans la configuration deux bus, les sources d 'nergie renouvelable peuvent

alimenter une partie de la charge en CA et l'autre partie en CC. Les deux bus doivent tre

relis par un convertisseur bidirectionnel.

20

Bus CC BusCA

Sources d 'nergie reno ur ela b le - 1-Sources d 'mergie renourelable (photoroltaique, olien etc) (olien, hydrolectricit etc) ~

Conrertisseurs ~ de puissance

Systme de stockage

Charges f---+

Charges CC CC

Fig. 2.4 : Structure de SHER bus courant continu/courant alternatif

2.5. tat de l'art sur la gestion optimale des flux d 'nergie dans les systmes hybrides

nergies renouvelables

la lumire de ce qui prcde, la combinaison de plusieurs sources d 'nergies

renouvelables pour former un systme hybride d'nergie est une solution fiable et efficace

pour plusieurs rgions loignes. Cependant, le dfi fondamental dans le fonctionnement

de ces systmes hybrides est la gestion de la puissance dlivre la charge [22]. La

puissance la sortie des sources renouvelables tant intermittente et dpendant de plusieurs

conditions non-contrlables, un systme de gestion efficace est ncessaire pour prendre des

dcisions pour une meilleure utilisation de l' nergie. Une stratgie de gestion optimale de

la puissance doit permettre d'avoir un systme efficace, fiab le et moindre cot. L'objectif

principal de la gestion d ' nergie est de pouvoir rpondre la demande de la charge de

pointe en tout temps. La littrature sur les systmes de gestion de l'nergie est trs vaste et

comprend diffrentes configurations de systme hybride impliquant les sources d'nergies

21

renouvelables. Les tudes pertinentes sur la gestion optimale des flux d 'nergie dans les

systmes hybrides d' nergie sont prsentes ci-aprs.

En 2014, Prema et Rao ont effectu une revue de littrature sur les modles prdictifs

pour la gestion de la puissance d 'un micro rseau hybride. Ils donnent un aperu des

stratgies de gestion de la puissance, les mthodes pour optimiser le systme hybride

d' nergie et les algorithmes de prvision de la demande. Les avantages de la gestion

prdictive de la puissance, les dveloppements rcents, les dfis et les tendances futures

sont discuts en dtail. Les auteurs affirment qu ' une stratgie de gestion prdictive de la

puissance peut tre conue pour amliorer l'efficacit globale du systme en optimisant

l' utilisation directe des sources d 'nergies renouvelables. Cependant, la possibilit d 'avoir

des erreurs de prvision existe toujours. Par consquent, d ' aprs les chercheurs, une

stratgie de gestion adaptative qui fonctionne sur des intervalles de temps plus courts peut

tre intgre dans la gestion avance de la puissance pour soutenir la stratgie de gestion

prdictive.

Ipsakis et collaborateurs ont propos en 2008, les stratgies de gestion de l' nergie d' un

systme autonome utilisant les sources d'nergies renouvelables et le stockage sous forme

d'hydrogne [27]. Les auteurs ont dvelopp trois stratgies de gestion efficace de l' nergie

d ' un systme autonome hybride photovoltaque-olien qui stocke l' nergie excessive sous

forme d 'hydrogne pour une utilisation future dans une pile combustible . Le systme

autonome hybride tudi par les auteurs est composs de panneaux photovoltaques de

capacit nominale de 5 kW, de trois oliennes de capacit totale de 3 kW, d 'une charge de

1 kW, d ' un lectrolyseur de 4.2 kW, d ' une pile combustible de 4 kW et d 'un

accumulateur plomb-acide de capacit totale de 3000 Ah 48 V Cc. L'objectif principal

22

des stratgies de gestion est de raliser une gestion efficace dans des conditions

mtorologiques variables qui permettraient d ' assurer la satisfaction des besoins en nergie

et de maintenir des cots d ' exploitation un niveau raisonnable. L' indicateur cl qui rgit

le fonctionnement de la stratgie de gestion est l' tat de charge (SOC pour State Of Charge)

de l' accumulateur. Compte tenu de l' importance de l' accumulateur dans le bon

fonctionnement de l' ensemble du systme, il est essentiel de maintenir le SOC de

l' accumulateur entre un niveau maximum admissible SOCmax et un niveau minimum

SOCnin qu ' il ne faut pas dpasser. En gnral , lorsque l' tat de charge de l' accumulateur

atteint son niveau maximum SOCnax, l'excs d ' nergie est utilis pour la production

d' hydrogne, et lorsque le SOC atteint son niveau minimum SOCnin, la pile combustible

est active pour satisfaire la demande en nergie. Les rsultats simuls sur une priode de

temps de quatre mois ont permis de rvler les performances des trois stratgies de gestion

proposes.

Une tude similaire a t mene en 2012 par Dursum et Kilic sur l' valuation

comparative de trois stratgies de gestion de la puissance d ' un systme autonome hybride

photovoltaque/olien/pile combustible/ accumulateur [28]. Dans cette tude, l' efficacit

nergtique de la batterie a t value avec trois stratgies de gestion de puissance. Ainsi,

pour augmenter le temps de fonctionnement de la pile combustible et pour permettre un

flux d ' nergie continu, trois stratgies de gestion de puissance sont proposes. L' tat de

charge maximum et minimum du banc de batterie permettent de dterminer le

fonctionnement de la pile combustible. Les trois stratgies de gestion ont amlior

l' efficacit nergtique du banc de batterie.

23

En 2015 , Higuita Cano et collaborateurs ont fait une tude sur la gestion d ' nergie d'un

systme autonome hybride photovoltaque/olien/batterie/pile combustible pour la

production d' hydrogne bas sur l' incertitude [29]. Les auteurs ont proposs une nouvelle

stratgie de gestion d ' nergie d ' un systme autonome hybride base sur une approche de

logique floue . D'aprs les chercheurs, l' intgration de la prvision de la puissance nette du

systme permet d' avoir une meilleure gestion de l' nergie. La stratgie de gestion a t

valide en utilisant des donnes de quatre semaines et en supposant que chaque semaine

correspond une saison dans l' anne . Ils ont galement effectu une tude comparative

entre la nouvelle stratgie de gestion propose et une stratgie optimise rcemment

rapporte dans la littrature [30]. Selon leur conclusion, la stratgie de gestion base sur la

logique floue et la prvision de la puissance nette, est susceptible de maintenir l' tat de

charge de la batterie dans la bonne plage de fonctionnement, tout en minimisant en mme

temps la dgradation associe aux cycles de dmarrage et d' arrt de la pile combustible

et de l' lectrolyseur.

Il existe beaucoup d' autres tudes qui ont t effectues sur la gestion de systmes

hybrides nergies renouvelables [31 ]-[37]. Comme on peut le constater partir de la

recherche bibliographique, il existe trs peu de recherches qui associent un systme hybride

nergies renouvelables un systme de pompage d ' eau. De plus il n ' existe pratiquement

pas d ' tudes sur la gestion des systmes hybrides nergies renouvelables pour les

applications d ' irrigation. Le but de cette tude est de concevoir un systme de gestion

efficace pour un systme autonome hybride base d' olien et photovoltaque pour les

applications d ' irrigation.

24

CHAPITRE III

Modlisation dynamique du systme autonome hybride

photovoltaque-olien pour applications agricoles

L' un des objectifs spcifiques atteindre dans ce projet de recherche est la

modlisation dynamique de l' ensemble du systme hybride photovoltaque-olien. Pour

atteindre cet objectif spcifique, nous avons tudi, modlis et simul l' ensemble du

systme hybride lment par lment dans l' environnement

MA TLAB/Simulink/Stateflow. Le systme autonome hybride tudi est compos de deux

sources de production d ' nergie (PY, o lien), d ' un sous-systme de stockage d ' nergie

(banc de batterie), d ' un sous-systme de pompage et des charges lectriques.

Pour la modlisation du panneau photovoltaque et de l'olienne, nous ne tenons pas

compte de la modlisation des convertisseurs statiques d ' lectronique de puissance ainsi

que de son systme de rgulation (avec MPPT). Nous avons utilis des modles

mathmatiques pour simplifier la modlisation de l' ensemble du systme hybride

photovoltaque-olien. Avec ces modles mathmatiques, on est mesure de simuler le

comportement du systme hybride avec son systme de gestion sur de longue priode.

L 'objectif de ce projet de recherche est de proposer une mthode de gestion de puissance

du systme autonome hybride photovoltaque-olien pour applications agricoles. Nous

avons donc concentr nos efforts sur la proposition d ' une mthode de gestion de puissance.

25

3.1.Modlisation du panneau photovoltaque

L'lment de base d' un systme photovoltaque est la cellule photovoltaque. La cellule

photovoltaque (dispositif semi-conducteur) est un composant optolectronique qui

transforme directement la lumire du soleil en lectricit.

Pour produire plus de puissance, les cellules solaires sont assembles pour former un

module. Les connexions en srie de plusieurs cellules augmentent la tension pour un mme

courant. La mise en parallle de cellules accrot le courant en conservant la tension. Le

panneau solaire est form par l' interconnexion en srie et/ou en parallle de modules

photovoltaques.

3.1.1. quations rgissant le comportement de la cellule photovoltaque

Le circuit quivalent de la cellule photovoltaque est montr la figure 3.1 [38] ,

[39]. Ce circuit est constitu d ' une source de courant photolectrique J, d 'une diode, d ' une

rsistance Rsh exprimant le courant de fuite en parallle et d ' une rsistance Rs en srie

dcrivant une rsistance interne au passage du courant.

D'aprs le schma lectrique de la figure 3.1, le courant d ' une cellule

photovoltaque sous clairement s' crit :

cu

IL ~

Id~

Di o de Rsh

I ~

Rs

Fig. 3.1 : Circuit quivalent de la cellule photovoltaque

V-IRs 1 = IL - Id - --Rsh

26

(3.1)

(q(V+lRsl)

En remplaant Id = 10* Ce nKT - 1) (fonnule explique par la thennodynamique

statistique) dans l' quation (3 .1), on aura:

(q(V+IRsl) V-IRs

1 = IL- lo(e nKT - 1) - --Rsh

(3 .2)

o :

ft est le courant gnr dans la cellule photovoltaque et dpend de l' irradiation solaire;

10 est le courant de saturation inverse de la diode (A);

1 9 q est la charge d ' un lectron (1.6xlO V);

Vest la tension aux bornes de la cellule photovoltaque (V);

1 est le courant de sortie de la cellule photovoltaque (A);

Rs est la rsistance en srie et elle a une petite valeur (n);

n est le facteur de qualit de la diode (sans unit);

23 K est la constante de Boltzmann (1.38xl0 J/K) ;

T est la temprature de jonction en oK;

Rsh est la rsistance de shunt et elle a une grande valeur.

Ce modle est compos d ' un courant photolectrique, d' une diode, d ' une rsistance

en parallle et d' une rsistance en srie. Cependant, il existe certaines limitations pour

dvelopper les expressions des paramtres de la courbe 1 -V. Cela est d la nature implicite

27

et la non-linarit du modle. Par consquent, ce modle est rarement utilis et n ' est pas

pris en considration pour le modle PY gnralis. La rsistance shunt Rsh est inversement

proportionnelle au courant de fuite , l' efficacit du PY est insensible une variation de la

rsistance shunt [40].

D ' autre part, une faible variation de la rsistance srie Rs va affecter de manire

significative la puissance de sortie du PY. Alors, l' quation 3.1 ci-dessus peut tre rcrite

comme suit:

(q (V+JRS ) )

1 = IL - 10 ( e nKT - 1) (3 .3)

Le courant la sortie de la cellule photovoltaque varie en fonction du niveau

d'irradiation solaire. D'o la forte influence de l'clairement sur le courant dbit par la

cellule PY. Le courant h dpend du rayonnement solaire et de la temprature de la cellule

et peut tre obtenu partir de l'quation 3.4 [41].

IL = IL(Tl) (1 + Ko(T - Tl))

Avec:

IL(Tl) = G*lsc(TI)/Gnom

Ko = 'sc(TZ) - Isc(Tl) 'sc(Tl) (Tz - Tl)

O :

G est l' irradiation en kW/m2;

Gnom est l' irradiation nominale de la cellule photovoltaque en kW/m2

;

ISC(Tl) est le courant de court-circuit la premire temprature de rfrence (A) ;

ISC (T2) est le courant de court-circuit la deuxime temprature de rfrence (A) ;

TI et T2 des tempratures de rfrence (K);

(3.4)

T est la temprature de la cellule solaire (K).

La valeur du courant de saturation 10 de la diode est dtermine par:

avec :

O :

-qVg 1 1

10 = 10(TI) (T/TI)3/n*e J1j{(T- Tl)

Vg est la tension de la bande interdite Band gap en V;

VOCTl est la tension en circuit ouvert la temprature TI de la cellule PV.

La rsistance srie Rs peut tre dtermine comme suit [3] :

Rs=-~- 1 dlvoc Xv

avec:

q qVoc(Tl )

Xv = 10(TI) *--* e nKTl nKTl

28

(3.5)

(3.6)

O ~ est la drive de la tension par rapport au courant lorsqu 'on atteint la tension en dIVoc

circuit ouvert.

Toutes les constantes dans les quations ci-dessus peuvent tre dtermines en

examinant les notes du fabricant du module PV.

partir des quations rgissant le comportement de la cellule photovoltaque, nous

avons cr un programme dans le logiciel MA TLAB/Simulink pour simuler le

comportement de la cellule photovoltaque (voir le programme en Annexe A). Les

paramtres d' entre du programme sont l' irradiation solaire G (kW/m2) (o Gmax=l

29

kW /m2) , la temprature T (oC) et la tension V (o Vmax = 0.6 Volt). Les sorties sont le

courant 1 (Imax=4A) fourni par la cellule solaire et sa puissance P (Pmax=2.4W).

Nous avons fait une petite simulation pour observer le comportement de la cellule

photovoltaque et voir les relations entre l' irradiation solaire, la temprature, la tension, le

courant et la puissance. Les rsultats obtenus sont expliqus ci-dessous.

La relation entre la tension et la puissance de sortie de la cellule solaire est reprsente sur

la figure 3.2. Dans un premier temps, on maintient la temprature 25C et on fait varier

l'irradiation solaire. On constate que si l' irradiation augmente, la puissance la sortie de

la cellule augmente aussi. Dans un second temps, on maintient l' irradiation 1 kW/m2 et

on fait varier la temprature. On constate que si la temprature augmente la puissance de

sortie diminue.

2 Courbes V-P T=25C pour G(1 . 0.8. 0.6. 0.4. 0.2)

- G=1

Courbes V-P G=1kW/m2 pour (T=25C. 35C. 45C)

2 - T=25 0 C

- G=0.8 -T=35C - G=0.6 - T=45C

1.5 - G=O.4 1.5 G=0.2 ~

0.5 0.5

0.2 0.3 0.4 0.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Tension de la cellule M Tension de la cellule M

Fig. 3.2 : Courbes de la puissance en fonction de la tension de la cellule photovoltaque

Sur la figure 3.3, nous reprsentons le courant en fonction de la tension de sortie.

En premier lieu, nous faisons varier la temprature en maintenant l' irradiation constante.

Nous constatons que si la temprature augmente la tension diminue. En second lieu, la

temprature ne varie pas (25 C), mais on fait varier l' irradiation. Nous remarquons que si

30

l'irradiation diminue, la tension et le courant diminuent aussi. Par consquent, la puissance

de sortie de la cellule diminue.

6 Courbes V-I T=2SoC pour G (1. 0.8, 0.6, 0.4, 0.2)

- G=0.2 5

Courbes V-I G = 1 kW/m2 pour T(2S0C, 35C, 45C)

- T=2SoC

5

~4r-------------__ ::s 3r-----------~ " o 2

- G=O.4

- G=0.6 4r-------=~""""--- G=0.8 - G=1

T=3SoC -T=4SoC

%~~0~. 1~~0~.2--0~.3~~0~.4-~~~~-~0.7 %~~0~.1~~0~.2--0~.3~~0~.4-~~~~-~0.7 Tension (V) Tension (V)

Fig. 3.3 : Courbes du courant en fonction de la tension de la cellule photovoltaque

3.1.2. Modle Simulink du panneau photovoltaque

Un modle mathmatique pour estimer la puissance de sortie des modules PY a t

utilis dans le prsent document. La puissance de sortie du gnrateur PY est donne par

l ' quation (3.7) [42], [43] :

(3.7)

o :

rJg est le rendement du gnrateur photovoltaque;

N est le nombre de modules;

Am est la surface d 'un module simple (m2) ;

G est le rayonnement global dans le plan du gnrateur PY (W / m2).

31

Les constantes l1g et Am de l' quation (3 .7) peuvent tre dtermines en examinant les

notes du fabricant du PV.

Le systme photovoltaque install l'Institut de Recherche sur l'Hydrogne (IRH)

de l'UQTR est compos de 16 modules dont 4 fois 4 modules en srie connects en

parallle.

v~

v ~

v ~

v ~

V tot

Fig. 3.4 : Disposition des modules photovoltaque de l' IRH

Chaque module produit un courant 1 et une tension V . Selon la disposition des

modules photovoltaque, la tension totale est quatre fois la tension d ' un module et le

courant total est quatre fois le courant d'un module.

Vtot = 4V et Itot = 41

La puissance totale gnre par le panneau photovoltaque est:

Ptot = Vtot Ilot = 16 V 1 = 16 Pmodule

Pour le cas de l'IRH, la puissance d' un module PV KC65T utilis est 65 W pour une tension

de 17.4 Volts. Alors, la puissance totale du systme est :

PlOt = 16*65 = 1040 W

32

Vtot = 4*17.4 = 69.6 Volts

Les informations techniques du module PV KC65T fabriqu par Kyocera sont

prsentes dans le tableau 3.1. Ces informations correspondent aux spcifications du

module PV dans les conditions standards de test.

Tableau 3.1 : Informations techniques du module PV KC65T

Description Symbole Valeur

Puissance maximale Pmax 65 W (+ 1 0% /-5%)

Tension au point de pui ssance Vmpp 17.4 V

maximale

Courant au point de pui ssance Impp 3.75 A

maximale

Tension circuit ouvert Vae 21.7 V

Courant de court-circuit Ise 3.99 A

Coefficient de temprature de Vae -8 .2 1 *1 0.2 V;OC

Coefficient de temprature de Ise 1.59*10.3 A/OC

Tension maximale du systme 600V

Nous constatons que la puissance totale gnre par le panneau photovoltaque de

l' IRH est 1040 W. Pour les besoins du projet, nous prenons un nombre de modules N est

gal 120. Ce qui nous permet d' avoir un systme PV de 7.8 kW (65 W par module

multipli par 120). partir de l' quation 3.7, le PV de 7.8 kW a t modlis et simul

dans l' environnement MATLAB/Simulink (Fig. 3.5). Les paramtres d 'entre du modle

PV sont le nombre de modules N, la surface S d ' un module (S = 0.4896 m2) , le rendement

d' un module (1]g = 13,27%) et le rayonnement solaire G. Le profil de rayonnement solaire

33

de 21 jours pour la rgion de Dakar (Sngal) a t utilis dans cette tude (Fig. 3.6). Ce

profil de radiation a t obtenu partir de la base de donnes mtorologique du logiciel

TRNSYS 17.

0.132747338

Rendement

n

Rayonnement Solaire MATLAB FU1Ction

Fig. 3.5 : Modle PV dans l'environnement MATLAB/Simulink

0.9

N 0.8 . :s: 0.7 .>

34

de l' nergie contenue dans le vent et la transfrent au moyeu qui est fix sur l' arbre de

l' olienne. Celui-ci transmet ensuite l' nergie mcanique au gnrateur lectrique. En

gnral, la transmission de puissance entre le moyeu et le gnrateur lectrique est ralise

travers un multiplicateur de vitesse de rotation . On place en gnral un convertisseur de

puissance entre le gnrateur lectrique et la charge. Le convertisseur adapte la forme de

l' nergie lectrique fournie par le gnrateur celle exige par la charge. On associe aussi

un systme de commande et de rgulation qui assure la conversion optimale en rgime

stationnaire et, ventuellement en rgime dynamique.

La chane de conversion olienne considre dans le cadre de cette tude est

prsente dans la figure 3.7. Il s' agit d ' une olienne axe horizontal , trois pales et avec

un gnrateur synchrone aimants permanents (PMSG).

Turbine

ACIDC

Fig. 3.7 : Chaine de conversion olienne

La modlisation de la chane de conversion olienne exige la modlisation du vent,

de la turbine olienne, du gnrateur lectrique et du convertisseur de puissance. Le vent

est la variable d' entre du systme olien. Sa modlisation ne sera pas dtaille dans ce

projet [44], seulement la modlisation de la turbine olienne est dtaille dans ce document.

35

3.2.1. Modlisation de la turbine olienne

3.2.1.1. Puissance de la turbine olienne

Le rotor olien est un systme de conversion d ' nergie qui transforme l'nergie

cintique des masses d 'air en mouvement en nergie mcanique disponible sur l'arbre.

Pour capter l' nergie cintique des masses d'air en mouvement, les ples du rotor olien

se prsentent obliquement au vent avec un angle appel angle de calage, p, provoquant la

rotation par un effet de vis ou de tire-bouchon [45] . La puissance maximale qui peut tre

rcupre est dcrite par l' quation de Betz (3.8) :

(3 .8)

o:

Pt est la puissance mcanique de la turbine (Watt);

p est la densit de l' air (kg/m3);

R est le rayon du rotor olien (m);

VI' est la vitesse du vent (mis) .

Cp est le coefficient de puissance (un paramtre sans dimension qUI expnme

l'efficacit du rotor olien dans la transformation de l'nergie cintique du vent en nergie

mcanique) . Ce coefficient est fonction de l' angle de calage fJ et de la vitesse spcifique J" ~

dfinie par :

(3 .9)

o nt est la vitesse de rotation du rotor olien.

36

Le coefficient de puissance a une valeur thorique maximale donne par la limite

de Betz Cp, max = 0.593 [46].

Une quation gnrique est utilise pour modliser Cp (., {J). Cette quation, en

fonction des caractristiques de la turbine modlise dans [46] , est:

avec

1 1 -----i +0.08[3

0,035

[33 + 1

(3.10)

Les coefficients Cl C6 sont: Cl = 0.5176, C2 = 116, C3 = 0.4, C4= 5, C5 = 21, C6

= 0.0068. Les caractristiques de Cp-., pour diffrentes valeurs de l'angle de tangage {J,

sont illustres ci-dessous (modle MATLAB) (Fig.3.8). La valeur maximale de Cp (Cp. max

= 0,48) est obtenue pour {J = 0 et pour }, = 8.1. Cette valeur particulire de }, est calcule

selon la valeur de consigne (J,_nom),

0 .5~--------------~--------------~------------~

0 .4

0 .3

uo.. 0 .2

0 .1

~om

-0 . 10L---------------5L-------~~~--1~0--~--------~~15

Fig. 3.8 : Courbes Cp en fonction de . pour diffrentes valeurs de p

37

3.2.1.2. Contrle et limitation de la puissance de la turbine olienne

Les systmes de contrle peuvent dynamiquement ajuster l'angle de calage des

ples et le couple du gnrateur pour commander la puissance aux forts vents. Sans systme

de contrle, les oliennes ne peuvent remplir leurs tches avec succs et produire la

puissance sans risque.

Les mthodes plus courantes de rglage de la puissance d ' une turbine olienne sont:

a) La commande angle fixe (passive sta il control);

b) La commande staIl active (active staIl control);

c) La commande de l' angle d ' attaque de la ple (blade pitch control);

d) La commande d'orientation (yaw control).

Ces commandes servent principalement limiter la puissance capte pour les vents

forts, mai s certaines peuvent galement intervenir pour faciliter la mise en rotation de la

turbine. Dans ce projet, la commande MPPT pour l' olienne n ' a pas t utili se.

3.2.2. Modle Simulink de l'olienne

L ' olienne installe l' IRH , dont les spcifications sont donnes dans le tableau

3.2, produit de l'nergie proportionnellement la vitesse du vent. La puissance produite

est achemine vers le bus OC travers un redresseur diodes. la vitesse de 13.8 mis,

l' olienne produit environ une puissance de 10 kW. partir de l' quation (3 .8), le modle

de l' olienne a t implant et simul dans l'environnement MA TLAB/Simulink (Fig. 3.9).

38

Group 1

Saturation

Vitesse du vent Cp Signal 2

K2*Cp*windA3 Scope1 ~ Profile de Vent Coefficient de puissance

Fig. 3.9 : Modle Simulink de l'olienne

Tout d 'abord, le bloc profil de vent permet d 'muler un profil de vitesse du vent.

Ce profil de vent reprsente les donnes de 21 jours pour la rgion de Dakar au Sngal

(Fig. 3.1 0). Ce profil de la vitesse du vent a t obtenu partir de la base de donnes

mtorologique du logiciel TRNSYS 17. On doit dterminer si la vitesse du vent s'inscrit

dans les limites pennises. En effet, lorsque le vent souffle une vitesse infrieure 3.6

rn/s, l' inertie de l'olienne l'empche de tourner. De plus, lorsque la vitesse du vent dpasse

les 14 rn/s, un mcanisme dvie l' axe de l' olienne et la puissance recueillie baisse.

Lorsque la vitesse du vent atteint 16.7 rn/s, la puissance fournie par l' olienne est

quasiment nulle. Cette vitesse est la limite suprieure. Le bloc saturation permet de limiter

la vitesse du vent entre 3.6 mis et 13.8 mis. Le bloc Coefficient de puissance permet de

trouver le Cp pour diffrentes valeurs de vitesse de vent. D 'aprs [47] , ce coefficient de

puissance Cp a t dtermin exprimentalement pour l'olienne Bergey BWC Excel 10

kW install l' IRH. L'quation (3.11) permet d'approximer le coefficient Cp de cette

turbine olienne.

Cp = (0.000739lv3 + 0.023649v 2 - O.26584v + 1.2934) * (1- 44.292exp( -1.0762 * v

O v reprsente la vitesse du vent.

(3.11 )

39

Le dernier bloc permet de calculer la puissance de Betz telle que spcifie par

l'quation (3.8). Les caractristiques du BWC Excel sont prsentes dans le tableau 3.2.

20~------~~------~--------~--------~--------~

~ 15 E ---c:: Q)

~ 10 -c Q) 1/) 1/) Q) -:>

100 200Temps (h?OO 400

Fig. 3.1 0 : Profi 1 de vent de 21 jours de la rgion de Dakar (Sngal)

Tableau 3.2 : Caractristiques de l'o lienne BWC Excel S

Caractristiques

Puissance estime P= 10000 W 13.8m1s

Rayon du rotor R = 3.2004 m

Vitesse du vent V=15.6 mis

Gnrateur: Alternateur aimant permanent

Rsistance de phase Rg = 0.5 n

Inductance de phase Lg = 4.48*10.3 H

Flux -tn = 0.39 V-s/rad

Nombre de ples P = 38

Inertie J = 25 kgm2

Coefficient d'amortissement B = 0.00035 Nm-rad/s

500

40

3.3. Modlisation du systme de pompage

Le systme de pompage est constitu d ' un moteur, d ' une pompe et d ' un rservoir pour

le stockage d ' eau. Le moteur permet de convertir l'nergie lectrique en nergie

mcanique. Il peut tre courant continu ou alternatif. L ' nergie mcanique la sortie du

moteur permet de faire tourner la pompe. La pompe permet donc de convertir l' nergie

mcanique reue en nergie hydraul ique. Par la suite, l' eau la sortie de la pompe sera

stocke dans un rservoir.

Habituellement, selon leur principe de fonctionnement, il existe deux types de pompes :

volumtrique ou centrifuge. Pour les besoins de cette tude, nous avons choisi la pompe

centrifuge. Les pompes centrifuges vrifient les lois d ' affinit. Ces lois sont utilises dans

l' hydraulique pour exprimer le rapport mathmatique entre certaines variables de la pompe

comme la vitesse de rotation, le dbit volumtrique, la puissance, etc. Par exemple, si on

connait pour une vitesse de rotation w, le dbit Q, la hauteur manomtrique totale H et la

puissance absorbe P, les lois d ' affinit permettent de dterminer pour une autre vitesse w',

le dbit Q', la hauteur H ' et la puissance P'. Ces lois d ' affinit sont d ' aprs [48]-[50] :

Q W (3.12) Qref Wref H

(w:eff Href (3.13)

P

(W:efr Pref (3.14)

O Qret ' Hret et Pret sont respectivement le dbit de rfrence, la hauteur de rfrence et

la puissance de rfrence la vitesse de rfrence Wret . Le modle de l'ensemble

41

motopompe a t conu dans l' environnement MA TLAB/Simulink partir des quations

3.123 .14.

3.3.1. Dimensionnement du systme de pompage

Pour les deux types de pompes (volumtrique ou centrifuge) les considrations

suivantes peuvent tre nonces [4] :

Le dbit d'eau d ' une pompe volumtrique est proportionnel la vitesse du moteur.

Mais son couple varie essentiellement en fonction de la hauteur manomtrique

totale (HM7) et est pratiquement constant en fonction de la vitesse de rotation du

moteur. La puissance consomme sera proportionnelle la vitesse. C' est pourquoi

ces pompes sont habituellement utilises pour les puits et les forages grandes

profondeurs et petits dbits d' eau.

La pompe centrifuge est conue pour une HMT relativement fixe. Le dbit d 'eau

de cette pompe varie en proportion de la vitesse de rotation du moteur. Son couple

augmente trs rapidement en fonction de la vitesse; et la hauteur de refoulement est

fonction du carr de la vitesse du moteur. La vitesse de rotation du moteur devra

donc tre trs rapide pour assurer un bon dbit. La puissance consomme,

proportionnelle Q*HMT, variera donc dans le rapport du cube de la vitesse. On

utilise habituellement les pompes centrifuges pour les gros dbits et les profondeurs

moyennes ou faibles (10 100 mtres).

Une comparaison a t faite entre les pompes centrifuges et les pompes volumtriques

par [4]. Il ressort de cette tude que:

42

Pour une HMT moyenne, comprise entre 10 et 50 mtres, la pompe immerge

centrifuge est gnralement la plus efficace. Mais son rendement est troitement li

la HMT et son dimensionnement est critique.

Pour les HMT suprieures 35 mtres et de faibles dbits journaliers 20 m3) , la

pompe volumtrique sera la plus utilise, surtout si une forte variation du

rabattement de la nappe (donc de la HMT) est constate. Pour des dbits plus levs,

l' emploi d ' une pompe centrifuge est souvent le seul choix possible.

Il est donc important de bien faire le dimensionnement de la pompe selon les conditions

du terrain. En d ' autres mots, une pompe doit tre choisie selon les caractristiques relles

de l' installation dans laquelle on doit l' installer. Les donnes suivantes seront ncessaires

pour dimensionner la pompe: dbit d ' eau (Q) et hauteur manomtrique totale (HMT) .

Le dbit (Q) est la quantit de liquide que la pompe peut fournir durant un intervalle de

temps donn, normalement exprim en m3/h. En pompage, le dbit est habituellement

donn en litres par heure (lib) ou gallons par heure (gph).

La hauteur manomtrique totale (HMT) d' une pompe est la diffrence de pression en

mtres de colonne d ' eau entre les orifices d'aspiration et de refoulement. Autrement dit,

c'est la somme de la hauteur gomtrique dans les niveaux du liquide et les pertes de

charges causes par de frottements intrieurs qui se forment au passage du liquide dans les

tuyaux, dans la pompe et dans les accessoires hydrauliques. Cette hauteur peut tre calcule

comme suit :

HMT = Hg + b.H (m colonne de liquide)

Hg = Hauteur gomtrique l'aspiration (Hga) + Hauteur gomtrique au refoulement (Hgr)

43

tlH = Somme des pertes de charge dans l' installation (pertes linaires et singulires)

calcule selon les lments suivants:

Diamtre, longueur et matriel composant les tuyaux d'aspiration et de refoulement

(Annexe B : voir table N 1);

Quantit et type des coudes dans la tuyauterie et accessoires hydrauliques comme

clapet de pied avec crpine, vannes, clapet anti-retour, filtres ventuels (Annexe B :

voir table N2);

Nature du liquide (si diffrent de l' eau), temprature, viscosit et densit.

Le diamtre des conduites doit tre calcul afin que ces pertes de charge correspondent

au plus 10 % de la hauteur gomtrique totale (Hg) [4].

3.3.1.1. Analyse des besoins et des conditions d'exploitation

L' analyse des besoins et des conditions d ' exploitation doit permettre de dterminer

la puissance et le type de pompe choisie pour la situation donne [4].

Il Y a trois paramtres techniques qui dlimitent l' valuation d ' une pompe. Afin

d 'obtenir l' valuation la plus exacte possible, il est essentiel que ces trois paramtres soient

estims le plus prcisment possible. Ces trois paramtres sont :

La quantit d' eau requise par jour;

La disponibilit de l'eau;

Les ressources solaire et olien.

L' valuation de la quantit d ' eau requise et la disponibilit de l' eau sont parfois

difficiles estimer et varient souvent de saison en saison et d ' anne en anne. Les facteurs

comme l' accroissement d' une population dans un village et un niveau dynamique variable

44

du puits ou du forage, selon le dbit et les saisons, compliquent ce qui au premier abord

peut paratre simple.

3.3.1.2. Estimation des besoins en eau et dimensionnement de la pompe

La boisson, la cuisine, la lessive et la toilette constituent les principaux usages de l 'eau

pour les besoins humains. Les animaux aussi ont besoin d' eau pour leur survie. La demande

en eau est galement primordiale dans l