Outil d'aide à la décision pour le dimensionnement de systèmes de pompage solaire PV

Gualteros Martinez, Sergio Camilo (2017). Outil d'aide à la décision pour le dimensionnement de systèmes de pompage solaire PV. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les systèmes de pompage d’eau sont nécessaires dans une panoplie d’applications, allant de l’irrigation jusqu’à la consommation humaine. La source d’énergie utilisée pour ces types de systèmes varie en fonction de la localisation du site et des sources disponibles, et dans le cas où une connexion au réseau électrique n’est pas disponible, des sources alternatives d’énergie doivent être considérées. L’utilisation de combustibles fossiles est très répandue pour mettre en fonctionnement les équipements de pompage malgré leurs coûts élevés, le transport du carburant et la transformation requise du pétrole en combustible, leurs émissions de gaz à effet de serre et la haute périodicité et le coût d’entretien des systèmes.

L’utilisation d’énergie solaire pour le pompage de l’eau présente plusieurs avantages comme la réduction des émissions atmosphériques, un coût de maintenance réduit et une source d’énergie pratiquement inépuisable. L’un des principaux avantages concerne le stockage qui est directement réalisé à l’aide d’un réservoir d’eau, donc sans recourir aux batteries. Néanmoins, plusieurs facteurs doivent être considérés pour concevoir et choisir correctement les composants à utiliser dans un système, autrement dit une installation de pompage solaire est affectée par la localisation, les distances de pompage, le point de prise de l’eau, le profil de consommation, entre d'autres facteurs. Une mauvaise adaptation entre les composants des systèmes et les caractéristiques spécifiques de l’application existe souvent, et peut nuire à l’efficacité ainsi qu’augmenter le coût global du projet.

La méthodologie dont fait l’objet cette recherche offre une solution intégrale, considérant les aspects prépondérants pour le dimensionnement optimal, laquelle garantit la meilleure configuration possible, autant pour l’approvisionnement en eau que pour l’aspect économique. Cette méthodologie est implantée dans un outil d’aide à la décision qui permet à l’utilisateur de fournir des informations de base, comme la localisation du site, les distances de pompage, le type de point de prise d’eau, le profil de consommation et l’albédo du sol. L’outil télécharge également toutes les données nécessaires pour la suite de calculs, soit une base de données d’équipements de pompage, de contrôleurs pour les pompes et de modules PV.

Deux modes d’opération sont considérés dans le dimensionnement concernant la position des modules PV: 1) inclinaison égale à la latitude et 2) inclinaison fixe et optimale. L’outil calcule le nombre de modules PV en série à partir de la tension nominale de la pompe et calcule l’énergie incidente par panneau PV. Finalement, le nombre de modules PV en parallèle est évalué pour obtenir une probabilité de manque d’eau en deçà d’un seuil établi. Cette évaluation se fait avec plusieurs tailles de réservoir, ce qui produit un ensemble de solutions possibles. L’optimisation consiste à choisir la meilleure solution à partir du processus de dimensionnement. Comme la probabilité de manque d’eau a été considérée préalablement, c’est la partie variable de l’investissement initial qui sert de critère pour ce choix. Le résultat est alors un système de pompage PV (pompe; contrôleur; référence, inclinaison et quantité de modules PV et taille du réservoir) qui permet d’assurer un fonctionnement optimal avec une VAN minimale. En plus, un tarif de service d’eau est proposé afin d’assurer la pérennité du système, puisque l’entretien et le maintien d’actifs de quelques composantes sont obligatoires.

Les tests réalisés montrent que la grande quantité de variables à considérer ainsi que la variabilité de l’énergie solaire font en sorte qu’il est toujours nécessaire de trouver un compromis entre fiabilité et investissement. La conception de plusieurs systèmes pour différentes communautés a permis de réaliser que le calcul de la taille du réservoir est primordial pour optimiser la solution, puisqu’il permet de stocker de l’eau pour les journées nuageuses et pour la nuit.

Titre traduit

Software for sizing of solar photovoltaic pumping systems

Résumé traduit

Water pumping systems are needed in a wide range of applications, going from irrigation to human use. The energy source chosen for this kind of systems depends on site geographic location and sources availability, thus where power grid connexion is not possible, alternative energy sources must be considered. Fossil fuels are commonly used for remote pumping systems, despite their high costs, required transformation and transportation, GHG emissions and costly and intensive required maintenance.

The use of solar energy for water pumping involves several advantages as GHG emissions reduction, reduced maintenance costs and high availability. One of the mains advantages is the energy storage made by a water reservoir, thus avoiding the use of batteries. Nevertheless, several factors must be considered while correctly designing and choosing the pumping system components. In other words a solar PV pumping system is affected by location, pumping distances, intake water source, consumption profile and others. A poor match between components and specific characteristics of the application is common and can lead to low efficiencies and high investments.

The proposed methodology offers an integral solution, considering important aspects for optimal dimensioning, which is able to guarantee the best possible configuration regarding performance as well as economic analysis. This methodology is implanted in an open-source computer tool that allows users to provide basic data as site location and meteorological data, water source type, consumption profile, and ground albedo. A components database is also uploaded with available pumps, PV modules and controllers.

Two operation modes are considered regarding panel tilt, the first one considers tilt equal to the latitude and the second one look for the optimal tilt angle to maximise match between load and solar energy. The tool calculates the number of PV modules in series to match the nominal voltage of the pump and calculates the parallel PV modules so the probability of lack of water is held below a certain set point. This evaluation is done using several reservoir sizes, thus several solutions are stored.

The optimisation process consists in choosing the best possible solution from the dimensioning process. As the probability of lack of water is considered in the first part of the process, it is the variable part of the initial investment that is used as a selection criterion. The result is a single PV pumping system (pump, controller, model, tilt angle and number of PV modules and reservoir size) that allows ensuring the optimal operation with minimum investment. Furthermore, a service tariff is proposed so the financial resources related to maintenance, exploitation and components replacement are gathered as the users take profit from the system.

Tool tests show that the high amount of variables and the variability of solar energy make it necessary to design the PV pumping systems finding a compromise between performance and financial viability. The design of PV pumping systems for several applications has shown the importance of the reservoir size, since it acts as an energy storage system, allowing water consumption during the night and during cloudy days.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie, concentration énergies renouvelables et efficacité énergétique". Bibliographie : pages 141-145.
Mots-clés libres:	Stations de pompage Alimentation en énergie. Systèmes photovoltaïques. Systèmes d'aide à la décision Conception. Stations de pompage Alimentation en énergie Aspect économique. dimensionnement, optimisation, communautés isolées, installations hors réseau
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rousse, Daniel R.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	03 août 2017 19:34
Dernière modification:	03 août 2017 19:34
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1917

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