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HAL Id: tel-01269847 https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-01269847 Submitted on 5 Feb 2016 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Contribution à la modélisation et au contrôle de trajectoire de Trackers photovoltaïques à haute concentration (HCPV) Mohamed Aymen Sahnoun To cite this version: Mohamed Aymen Sahnoun. Contribution à la modélisation et au contrôle de trajectoire de Trackers photovoltaïques à haute concentration (HCPV). Automatique / Robotique. Ecole nationale supérieure d’arts et métiers - ENSAM, 2015. Français. NNT : 2015ENAM0043. tel-01269847 N°: 2009 ENAM XXXX Arts et Métiers ParisTech – Campus de Aix-en-Provence LSIS 2015-ENAM-0043 École doctorale n° 432 : Sciences des Métiers de l’ingénieur présentée et soutenue publiquement par Mohamed Aymen SAHNOUN le 18 décembre 2015 Contribution à la modélisation et au contrôle de trajectoire de Trackers photovoltaïques à haute concentration (HCPV) Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers Spécialité “ Automatique ” Directeur de thèse : Jean-Claude CARMONA Co-encadrement de la thèse : Julien GOMAND T H È S E Jury M. Kouider Nacer M'SIRDI, Professeur des universités, Université Aix-Marseille Président M. Abdelaziz HAMZAOUI, Professeurs des universités, IUT Troyes Rapporteur M. Frédéric GIRAUD, Maître de conférences HDR, Université Lille1 Rapporteur M. Jean-Claude CARMONA, Professeur des universités émérite, Arts et Métiers Paris Tech Examinateur M. Julien GOMAND, Maître de conférences, Arts et Métiers Paris Tech Examinateur M. Yacin DE WELLE, PDG, Optimum Tracker Invité i Résumé / Abstract CONTRIBUTION A LA MODELISATION ET AU CONTROLE DE TRAJECTOIRE DE TRACKER PHOTOVOLTAIQUES A HAUTE CONCENTRATION (HCPV) RESUME : Dans l’optique de maximisation de la production d’une part, et de réduction des coûts d’installation d’autre part, facilitant la maintenance et l’entretien des trackers solaires, équipés de modules photovoltaïques à haute concentration (HCPV), ces travaux de thèse se focalisent sur l’amélioration de la précision et la réduction du coût de la stratégie de génération de la trajectoire du tracker. Un simulateur de tracker HCPV est tout d’abord développé permettant une étude de l’influence de la performance du suivi du soleil sur la production des modules HCPV, ainsi que l’analyse et la comparaison des stratégies de génération de trajectoires. Ce simulateur est basé sur un modèle comportemental de module HCPV monté sur tracker permettant la prédiction de la puissance maximale du module HCPV en fonction de l’erreur de position du tracker face au soleil, de l’ensoleillement direct et de la température. Une première stratégie de commande dite de référence a été implémentée sur ce simulateur. C’est une commande hybride qui repose sur un viseur solaire pour corriger l’erreur de poursuite par un calcul astronomique. Ensuite, afin d’améliorer les performances et de réduire les coûts de mise en œuvre, une nouvelle approche sans capteur est développée s’appuyant sur une méthode d’optimisation du gradient de puissance pour la génération de la trajectoire du tracker. Dans la même optique, une étude est menée sur des algorithmes de recherche de la puissance maximale (MPPT) pouvant offrir des temps de réponse suffisamment rapides pour ne pas affecter la qualité de l’évaluation du gradient de puissance. Dans ce contexte, une commande MPPT P&O améliorée par un réseau de neurones à complexité réduite, est proposée, assurant un compromis entre précision, simplicité et rapidité. Mots clés : Modules HCPV, Tracker HCPV à deux axes, Simulateur de tracker, Commande hybride, méthode du gradient, algorithme MPPT, réseau de neurones artificiels Résumé / Abstract ii CONTRIBUTION TO THE MODELING AND CONTROL OF HIGH CONCENTRATED PHOTOVOLTAIC TRACKER (HCPV) ABSTRACT: This work focuses on improving the accuracy and on reducing the cost of the tracker generating trajectory strategy, in order to maximize the production and to reduce the installation and the maintenance cost of a solar tracker orienting high concentrated photovoltaic modules (HCPV). Firstly, we propose a behavioral modeling of the HCPV module mounted on a dual axis tracker in order to study the influence of the tracking performance on the module power production. Then, this simulator is used to test different control strategies and to compare their performances. A classical control strategy is initially implemented in the simulator. It is based on a hybrid control operating an astronomical calculation to follow the sun path, and a sun sensor to correct the tracking error. Further, a sensorless strategy is proposed in order to reduce the cost of the HCPV tracker control. This strategy is based on a gradient optimization algorithm to generate the tracker trajectory and to catch the sun path. Tested on the simulator, this strategy presents the same accuracy as the classical strategy while being less costly. The last study proposed in this thesis work concerns maximum power point tracking (MPPT) algorithms, in order to answer to a given problem relating to the practical implementation of gradient algorithm. In this context, we propose an original optimization of the P&O MPPT control with a neural network algorithm leading to a significant reduction of the computational cost required to train it. This approach, ensuring a good compromise between accuracy and complexity is sufficiently fast not to affect the quality of the evaluation of the gradient. Keywords : Dual axis tracker, HCPV module, HCPV tracker control, Hybrid control, Gradient optimization algorithm, Tracker simulator, MPPT algorithm, neural network iii Remerciements Mes premiers remerciements vont d’abord à mes rapporteurs M. Abdelaziz Hamzaoui et M. Frédéric Giraud d’avoir accepté d’évaluer mes travaux, pour le temps qu’ils ont accordé à la lecture de cette thèse et à l’élaboration de leur rapport. C’est également avec plaisir que je remercie M. Nacer M’sirdi d’avoir accepté de faire partie de mon jury. Je mesure à sa juste valeur le temps qu’il m’a accordé. Mes remerciements vont aussi à mon directeur de thèse Jean-Claude Carmona pour le temps qu’il m’a consacré et son engagement, pour les précieux conseils et la liberté qu’il m’a accordée au cours de ces années. Je souhaite exprimer toute ma reconnaissance à mon Co-encadrant Julien Gomand pour son aide constant et minutieux tout au long du développement et de la rédaction de mon mémoire de thèse. Je le remercie aussi pour ses précieux conseils ainsi que sa patience lors des explications tout le long de la thèse. Un immense merci à Yacin De Welle ainsi que toute l’équipe Optimum Tracker pour m’avoir bien accueilli et pour m’avoir permis de donner ces aspects industriel et pratique indispensables pour cette thèse CIFRE. Je souhaite remercier les membres de l’équipe INSM et de l'ENSAM avec qui j'ai partagé d'agréables moments au cours de ces dernières années, avec une pensée toute particulière pour tous mes collègues doctorants. Mes remerciements vont aussi à tous mes amis, qu’ils soient en France, en Tunisie ou ailleurs, et je sais qu’ils sont nombreux. Je souhaite remercier particulièrement mes amis à Aix qui ont Remerciements iv supporté mes humeurs, qui m’ont accompagné dans mes loisirs et qui m’ont soutenu tout le long de ma thèse. J’exprime la plus profonde reconnaissance à mes parents Kamel et Rim, pour m’avoir donné leur confiance au moment de mon départ à l’étranger et pour m’avoir soutenu au cours de ces années. Je souhaite aussi remercier tous les membres de ma famille qui m'ont soutenu tout au long de ces années de thèse, et plus particulièrement mon frère Mourad et ma sœur Imen. Je remercie enfin une personne de très grande importance dans ma vie, qui m’accompagne et qui me soutient tout le temps par la force et l’énergie qui lui sont disponibles. Il s’agit de ma femme et de l’amour de ma vie Nouha. Je te remercie d’exister. v Sommaire Résumé / Abstract ........................................................................................................................ i Remerciements ........................................................................................................................... iii Sommaire .................................................................................................................................... v Liste des Figures ........................................................................................................................ ix Liste des Tableaux ................................................................................................................... xvii Abréviations et Notations ......................................................................................................... xix Introduction générale ................................................................................................................... 1 Chapitre I: Contexte et problématiques ........................................................................................ 5 I.1. Contexte énergétique ..................................................................................................................... 5 I.2. Problématique industrielle .......................................................................................................... 10 I.3. Etat de l’art des modèles de module HCPV ................................................................................ 11 I.3.1. Modèles empiriques à paramètres réduits ............................................................................ 12 I.3.2. Modèles physiques comportementaux ................................................................................. 13 I.3.3. Etude comparative des modèles de modules HCPV ............................................................ 15 I.4. Etat de l’art des stratégies de commande d’un tracker ................................................................ 17 I.4.1. Commande en boucle ouverte .............................................................................................. 18 I.4.2. Commande en boucle fermée ............................................................................................... 19 I.4.3. Commande hybride .............................................................................................................. 19 I.4.4. Commande tenant compte de la consommation ................................................................... 21 I.5. Etat de l’art de la modélisation des trackers HCPV et PV ......................................................... 22 I.6. Problématique scientifique .......................................................................................................... 26 I.7. Objectifs et contributions de la thèse .......................................................................................... 27 Chapitre II: Simulateur de comportement d’un tracker HCPV ................................................... 29 II.1. Modèle du soleil ........................................................................................................................ 31 II.2. Modèle électromécanique asservi du tracker HCPV ................................................................. 31 II.2.1. Modèle dynamique de la machine asynchrone ................................................................... 32 uploads/Management/ sahnoun.pdf