[PDF] Houlogénérateurs: projets verrous et quelques solutions

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THESE?DE?DOCTORAT?DE?

L"ÉCOLE?CENTRALE?DE?NANTES??

COMUE?UNIVERSITE?BRETAGNE?LOIRE?

ECOLE?DOCTORALE?Nfl?602??

Par?

Paul?EmileψMEUNIERψ

ψCompositionψduψJuryψ.ψ

Présidente←

Directeur?de?thèse?

Co-encadrant?de?thèse?

Contrôle collaboratif d"une ferme de

génératrices houlomotricesPaul-Emile Meunier Laboratoire de recherche en Hydrodynamique, Énergétique et

Environnement Atmosphérique

Le présent manuscrit est soumis pour l"obtention du diplome de Docteur de l"Ecole Centrale de NantesCentrale Nantes 2018
ii

Table des matières

Table des matières

iii

Table des figures

vii

Liste des tableaux

xvii

Liste des symboles

xxii

1 Introduction

1

1.1 Avant-propos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.2 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.2.1 Production énergétique mondiale . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.2.2 La place de l"énergie houlomotrice . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.3 Défis technologiques et scientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.4 Les concepts de machine houlomotrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.5 Contrôle des point absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.5.1 Power take-off et conversion d"énergie . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.5.2 Nécessité des méthodes de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.5.3 Méthodes de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.5.3.1 Formes de contrôle résistif . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

1.5.3.2 Formes de contrôle réactif . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

1.5.3.3 Contrôle adaptatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

1.5.3.4 Contrôle de ferme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

1.6 Les modèles d"interaction vague structure . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

1.6.1 Présentation des modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

1.6.2 Application au contrôle de ferme . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

1.7 Méthodes de prévisions de la force d"excitation . . . . . . . . . . . . . . .

29

1.8 Objectifs de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

2 Mise en place du simulateur de ferme houlomotrice

33

2.1 Théorie linéarisée des écoulements à potentiel . . . . . . . . . . . . . . .

34

2.1.1 Problème aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

2.1.2 Expression des efforts linéaires à partir du potentiel . . . . . . . .

36

2.2 Résolution du problème aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

2.2.1 Méthode BEM - Code NEMOH . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

ivTable des matières2.2.2 Méthode semi-analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

2.2.3 Comparaison des coefficients hydrodynamiques . . . . . . . . . . .

40

2.3 Résolution dans le domaine temporel : équation de Cummins . . . . . . .

42

2.4 Représentation d"état . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

2.5 Identification de la radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

2.5.1 Identification en système SISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

2.5.2 Identification en système MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

2.5.3 Passivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

2.6 Caractéristiques du simulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

2.6.1 Calcul et mise en forme des coefficients hydrodynamiques . . . . .

52

2.6.2 Pré-processeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

2.6.3 Intégration numérique et contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

2.6.4 Dynamique transitoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

2.6.5 Vérifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

2.6.5.1 Vérification de la phase et de l"amplitude en houle poly-

chromatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.6.5.2 Vérification de la réponse en amplitude . . . . . . . . . .

63

3 Théorie et analyse du contrôle collaboratif

65

3.1 Méthode de contrôle collaboratif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

3.1.1 Géométrie utilisée au cours de l"étude . . . . . . . . . . . . . . . .

67

3.1.2 Théorie du contrôle optimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

3.1.2.1 Expression du contrôle optimal sans contrainte pour un

corps isolé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.1.2.2 Expression du contrôle optimal d"un groupe de N corps .

71

3.1.3 Contrôleur optimal en domaine temporel . . . . . . . . . . . . . .

73

3.1.4 Non causalité du contrôleur optimal . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

3.1.5 Fenêtrage du contrôleur optimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

3.1.5.1 Pulsation de coupure basse fréquence . . . . . . . . . . .

81

3.1.5.2 Pulsation de coupure haute fréquence . . . . . . . . . . .

82

3.1.5.3 Intersection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

3.1.5.4 Rendement du contrôleur optimal fenêtré . . . . . . . .

84

3.1.6 Fonction de transfert des vitesses . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

3.1.6.1 Fonction de transfert sans PTO . . . . . . . . . . . . . .

86

3.1.6.2 Fonction de transfert avec contrôleur optimal . . . . . .

92

3.1.7 Prévision de la vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

96

3.1.8 Forme pseudo causale du contrôleur . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

Table des matièresv3.1.9 Premières vérifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102

3.1.10 Remarques sur la discrétisation des coefficients hydrodynamiques

104

3.2 Étude de sensibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 05

3.2.1 Plan d"expérience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

106

3.2.2 Coefficient d"optimalité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

107

3.2.3 Analyse de la stabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

108

3.2.4 Raffinement de l"étude pour les corps proches . . . . . . . . . . .

111

3.2.5 Identification et analyse des paramètres optimaux . . . . . . . . .

112

3.2.6 Points de fonctionnement réalistes . . . . . . . . . . . . . . . . . .

115

3.2.7 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

117

4 Analyse des résultats numériques

121

4.1 Discrétisation fréquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

122

4.1.1 Corps libres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

123

4.1.2 Corps contrôlés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

126

4.2 Discrétisation temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 28

4.2.1 Corps libres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

128

4.2.2 Stratégie de contrôle collaboratif . . . . . . . . . . . . . . . . . .

131

4.3 Validation de la stratégie de contrôle pour un groupe de deux corps . . .

132

4.3.1 Prévision de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

132

4.3.2 Conditions d"optimalité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

134

4.4 Validation de la stratégie de contrôle avec les coefficients hydrodyna-

miques issus de méthode BEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.5 Impact du déplacement moyen en cavalement sur la méthode . . . . . . .

143

4.6 Orientation et étalement directionnel de la houle . . . . . . . . . . . . . .

147

4.6.1 Erreur de mesure de l"orientation de la houle . . . . . . . . . . . .

147

4.6.2 Étalement spectral directionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

151

4.7 Application à une ferme complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

154

4.7.1 Impact du contrôleur sur le facteur d"interaction . . . . . . . . . .

154

4.7.1.1 PTO passif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

156

4.7.1.2 Contrôle optimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

158

4.7.2 Simulation d"une ferme de 10 machines . . . . . . . . . . . . . . .

159

4.7.2.1 Impact du fenêtrage sur la récupération . . . . . . . . .

161

4.7.2.2 Résultats en domaine temporel . . . . . . . . . . . . . .

163
viTable des matières5 Conclusions et perspectives169

5.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 69

5.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

171

Bibliographie

175
A Correction des fréquences irrégulières de NEMOH 185

B Paramètres du simulateur

189
B.1 Paramètres de la classe ferme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
B.2 Paramètres de la classe simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

C Résultats de l"étude de sensibilité

193
C.1 Étude de sensibilité générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
C.2 Étude de sensibilité des corps proches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

D Étude de convergence en maillage

203

E Spectre directionnel de houle

205

Table des figures

1.1 Production d"électricité mondiale de 1971 à 2015 en TWh. La ressource

" Renouvelable non-hydro » inclue la géothermie, le solaire, l"éolien, les énergies marines, les biocarburants, et l"incinération des déchets (Central

Statistics Office [

21
4

1.2 Coût actualisé de l"énergie (LCOE) par technologie de production d"éner-

gie renouvelable, pour l"année 2010 et 2017. Le diamètre de chaque cercle représente la taille de chaque projet et son centre le coût du projet. Les lignes épaisses représentent le LCOE moyen et pondéré des centrales misent en service pour chaque année (International Renewable Energy

Agency [

78
5

1.3 Extrait de la planche accompagnant le brevet de 1799 publié par Girard

père et fils [ 70
6

1.4 Schéma représentatif de la bouée sifflante de Courtenay (à gauche), et

cliché d"un dérivé de cette machine à Point Fermin, San Pedro, réalisé en

1890 (à droite) (California Historical Society Collection). . . . . . . . . .

7

1.5 Design du Salter"s Duck présenté dans [

80
7

1.6 Atténuateur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

1.7 Flotteur en rotation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

1.8 Système à colonne d"eau oscillante (OWC). . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

1.9 Centrale à déferlement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

1.10 Point absorber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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