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Conception d’un système de pompage d’eau solaire photovoltaïque expérimental pour régions isolées : contrôle et dimensionnement

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Thomasset, Bastien (2022). Conception d’un système de pompage d’eau solaire photovoltaïque expérimental pour régions isolées : contrôle et dimensionnement. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’eau représente environ entre 60 à 70 % de la masse corporelle de chaque être humain. Cette ressource est donc essentielle à la vie, mais également à d’autres activités comme l’irrigation des cultures. Pourtant, encore aujourd’hui, certaines populations vivent en situation critique de stress hydrique, et manquent d’un accès stable et suffisant à l’eau. La plupart d’entre elles sont éloignées de tout réseau de distribution moderne et combattent également un contexte socio-économique difficile. Pour répondre à cette problématique, des stations de pompage d’eau photovoltaïques autonomes permettent de fournir un point d’eau, essentiellement grâce à l’énergie solaire. Respectant les contraintes de la transition énergétique avec une empreinte carbone faible, le coût d’investissement de ces technologies reste tout de même non négligeable.

Premièrement, la conversion de l’énergie photovoltaïque en énergie hydraulique est soumise à plusieurs rendements qui dépendent du comportement du système. Pour proposer une issue attractive sur le plan économique, mais également sur celui de la résilience, différentes solutions sont envisagées pour associer la matrice photovoltaïque et la pompe. Les travaux présentés développent une approche numérique personnalisable pour modéliser les diverses possibilités du conditionnement de puissance, à l’aide du logiciel Matlab/Simulink. Des comparaisons entre quatre topologies de convertisseurs et trois stratégies de contrôle MPPT ont permis de mettre en avant la technologie buck-boost, ainsi que la logique floue, malgré des performances similaires. De plus, six couplages distincts (direct, MPPT avec et sans batterie, convertisseur à tension fixe, contrôleur LCB, contrôleur MPPT-LCB) ont été modélisés pour permettre de mettre en avant leurs comportements et leurs avantages. L’ensemble de ces comparaisons a été réalisé avec un moteur à courant continu, mais d’autres simulations ont permis l’étude d’une motorisation à courant alternatif, pour mettre en lumière l’efficacité dynamique de la commande vectorielle contre la commande scalaire.

Deuxièmement, les enjeux du dimensionnement ont été mis en avant grâce à l’exploitation du programme PVsyst. Des études sur la hauteur d’eau (1 à 5 m), jours), l’autonomie du réservoir (1 à 5 jours), la localisation (Montréal, Paris, Porto Velho, Bamako, New Deli, Helsinki), ainsi que la consommation locale d’eau permettent de quantifier l’énergie produite, les rendements et le nombre de personnes qui pourra être alimenté par le système. Le système est voué à être pourvu d’un caractère de modulabilité, pour comprendre entre 1 et 6 panneaux, soit une puissance qui varie de 335 à 2010 W. L’intérêt est de proposer à l’utilisateur différentes gammes de débits que pourront fournir le système de pompage surfacique.

Titre traduit

Test bench of a photovoltaic water pumping system for isolated areas : control and sizing

Résumé traduit

Water represents about 60 to 70 % of the body mass of each human being. This resource is therefore essential to life but also to other activities such as crop irrigation. However, even today, some populations live in a critical situation of water stress and a lack of stable and sufficient access to water. Most of them are far away from any modern distribution network and are also fighting a difficult socio-economic context. To address this problem, stand-alone photovoltaic water pumping stations provide a water point solely through solar energy. Respecting the constraints of the energy transition with a relatively low carbon footprint, the capital cost of these technologies is however not negligible.

The conversion of photovoltaic energy into hydraulic energy is subject to several efficiency limitations that depend on the behavior of the system. To propose an economically attractive and resilient solution, different solutions are possible to associate the photovoltaic array and the pump. The work done here implements a customizable numerical approach to modeling, using the software Matlab/Simulink, the various possibilities of power conditioning. Comparisons between four converter topologies and three MPPT control strategies have allowed to highlight buck-boost technology and fuzzy logic, despite performances close to each other (1 or 2 % discrepencies). Moreover, six couplings (direct, MPPT with and without battery, fixed voltage converter, LCB controller, MPPT-LCB controller) have been modeled to highlight the behavior and advantages of each of them. All these simulations were performed with a DC motor, but others allowed the study of an AC motorization to highlight the dynamic efficiency of the vector control against the scalar control.

In a second step, the dimensioning issues were highlighted thanks to the exploitation of the program PVsyst. Studies on the water height (1 to 5 m), the autonomy of the tank (1 to 5 days), the power of the system (335 to 2010 W. The interest is to propose to the user different ranges of flows that the surface pumping system will be able to provide.

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 énergies renouvelables et effiacité énergétique". Comprend des références bibliographiques (pages 179-184).
Mots-clés libres: photovoltaïque, pompage, contrôle, dimensionnement, modélisation, isolé
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Rousse, Daniel R.
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 12 août 2022 14:14
Dernière modification: 01 nov. 2022 17:22
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3036

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