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A flexible, genuine software for the simulation and sizing of photovoltaic pumping systems

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Lunel, Tanguy (2020). A flexible, genuine software for the simulation and sizing of photovoltaic pumping systems. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

There are few resources as precious to life as water. However, even today, many people around the world still lack decent access to it. One of the reasons for this is the remoteness of these populations from modern water collection and distribution technologies, often coupled with an unfavourable socio-economic situation. Photovoltaic pumping technology makes it possible to respond both to this problem and to the criteria of sustainable development. This technology makes it possible to pump water without emitting greenhouse gases even when located at a remote distance from an electrical grid. However, the associated initial investment and the intermittency of the system can be major obstacles to the development of this technology. Several researchers have already worked on these systems, proposing numerous forecasting models that allow better prediction of the volume of water pumped based on input data. However, links between the academic research are lacking, and it remains difficult to know which models and strategies are best suited to improving forecasts and reducing costs.

The work carried out here implements a software approach in order to synthesize existing research and facilitate photovoltaic pumping system sizing for domestic consumption. It mainly consists of an aggregation of models found in the literature within a free, flexible and well-documented software solution. This software is coded in the Python programming language and provides the user with useful tools for the modeling and sizing of such pumping systems.

Using this software, several comparative studies are carried out to evaluate the quality of pump models, the influence of weather files and the viability of direct coupling. The results obtained highlight the pump models to be used preferentially, as well as the variability in pumped water output coming from the use of typical weather files such as TMY, CWEC and IWEC standards. It is also shown that systems with a pump directly coupled to the photovoltaic array, without the intermediary of MPPT converter, are the most cost-efficient option if the pump input characteristics match well with the photovoltaic modules. Otherwise the option of coupling via MPPT results in more cost-efficient systems on average.

The proposed software leaves room for further development. The continuation of this work consists primarily in validating the predictive power of the software through experimental results, after which new models could be implemented to improve the support of pumping systems for agriculture, for example.

Titre traduit

Conception d’un logiciel libre et flexible pour la simulation et le dimensionnement des systèmes de pompage photovoltaïques

Résumé traduit

Il existe peu de ressources aussi précieuses à la vie que l’eau. Cependant, aujourd’hui encore, de nombreuses populations à travers le monde manquent d’un accès décent à celle-ci. Une des raisons pour cela est l’éloignement de ces populations aux technologies modernes de captation et de distribution d’eau, souvent couplée à une situation socio-économique défavorable. La technologie de pompage photovoltaïque apporte une réponse à ce problème tout en respectant les critères du développement durable. Cette technologie permet de pomper de l’eau sans émettre de gaz à effet de serre même lorsque éloigné d’un réseau électrique. Cependant le coût associé et l’intermittence du système peuvent être des freins importants au développement de cette technologie. Plusieurs chercheurs ont déjà travaillé sur ces systèmes, proposant de nombreux modèles de modélisation permettant de mieux prévoir le volume d’eau pompé en fonction des données d’entrées. Cependant les liens entre les travaux académiques manquent, et il reste difficile de savoir quels modèles et stratégies sont les meilleurs pour améliorer les prévisions et diminuer les coûts.

Le travail réalisé ici met en place une approche logicielle afin de synthétiser les recherches existantes et de faciliter le dimensionnement des systèmes de pompage photovoltaïque destiné à la consommation domestique. Il consiste principalement en une agrégation des modèles trouvés dans la littérature au sein d’un logiciel libre, flexible et bien documenté. Ce logiciel est codé dans le langage de programmation Python et met à disposition de l’utilisateur des outils utiles à la modélisation et au dimensionnement de tels systèmes de pompage.

A l’aide de ce logiciel, plusieurs études comparatives sont menées pour évaluer la qualité des modèles de pompes, l’influence des fichiers météorologiques et la viabilité du couplage direct. Les résultats obtenus permettent de mettre en lumière les modèles de pompes à utiliser préférentiellement, ainsi que la variabilité provenant des fichiers météorologiques typiques tels que les standards TMY, CWEC et IWEC. Il est également montré que les systèmes présentant une pompe directement couplée à la matrice photovoltaïque, sans l’intermédiaire de convertisseur MPPT, représentent l’option la moins chère si les caractéristiques d’entrée de la pompe correspondent bien aux modules photovoltaïques. Dans le cas contraire l’option de couplage via un MPPT aboutit en moyenne à un système moins cher.

Le logiciel proposé laisse une grande place à des développements futurs. Néanmoins la suite de ce travail consiste prioritairement en la validation des prédictions du logiciel grâce à des résultats expérimentaux, après quoi, de nouveaux modèles pourraient être implantés pour améliorer la prise en charge de système de pompage destinés à l’agriculture par exemple.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master's degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 77-81).
Mots-clés libres: modélisation, dimensionnement, pompage, photovoltaïque, logiciel
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Rousse, Daniel R.
Codirecteur:
Codirecteur
Gualteros Martinez, Sergio
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 24 sept. 2020 20:40
Dernière modification: 24 sept. 2020 20:40
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2541

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