Concepts de base des algorithmes génétiques

Concepts de base des algorithmes génétiques

Depuis plusieurs décennies, les problèmes environnementaux provoquant les changements climatiques sont mondialement reconnus. A cet effet, le coût des énergies ainsi que les pollutions diverses doivent être pris en compte à des différents niveaux des dirigeants. De plus, la demande mondiale en énergie augmente de plus en plus, et l’appauvrissement des sources d’énergie fossile dans un avenir proche est prévisible. Le contexte énergétique actuel, caractérisé par l’épuisement inéluctable des réserves des énergies fossiles carbonées, le dérèglement climatique en partie dû à l’émission de gaz à effet de serre et le concept de développement durable, nous pousse à trouver des solutions énergétiques alternatives. Aujourd’hui, la croissance de la demande d’énergie, liée à l’augmentation de la population mondiale, au développement économique des pays émergents et à l’ambition d’un accès universel à l’énergie propre, représente un facteur très important au développement des énergies non fossiles dite renouvelables.

Le développement de l’énergie hydrolienne participe au défi énergétique mondial en venant s’ajouter aux dispositifs de production d’énergies renouvelables existants. Elle consiste à utiliser l’énergie cinétique transportée par les masses d’eau en mouvement. Il est donc avantageux de chercher des sites où les vitesses des courants sont typiquement supérieures à 2 m/s. L’implantation des hydroliennes vise les fleuves, mais également les courants des marées, ou les courants océaniques, en privilégiant des sites pour lesquels la topologie de l’environnement accélère l’écoulement, à savoir les îles, les rétrécissements, la baie, et les estuaires.

Pour des raisons de coûts prohibitifs, l’exploitation des grands courants océaniques n’est pas encore accessible. C’est pourquoi le dispositif de l’hydrolien se positionne tout d’abord sur l’exploitation des courants de marées et des courants fluviaux. De manière générale, les turbines des hydroliennes peuvent être posées directement sur le fond, intégrées à une structure flottante, et intégrées à une structure directement reliée à la berge, dans un cours d’eau.

Généralités sur les hydroliennes 

L’énergie hydro-cinétique contenue dans des courants fluviaux, courants de marée ou canaux d’eau artificiels est aujourd’hui considérée comme une ressource d’énergie renouvelable pour la production de l’énergie électrique. Les systèmes de conversion de l’énergie cinétique des courants en énergie mécanique, encore souvent dans leur état de développement, sont envisagés pour extraire cette énergie.

Les mers et les océans deviennent actuellement une source prometteuse d’énergie. De nombreux projets scientifiques ou industriels ont déjà démarré dans le monde en vue de l’exploitation de ces énergies (Elghali et al., 2007). Les principaux types d’énergies de l’océan sont, entre autres, l’énergie des vagues (houlomotrice), l’énergie thermique (utilisant des gradients thermiques), l’énergie osmotique (utilisant des gradients de salinité), la biomasse océanique et l’énergie des courants (hydrolienne). La dernière énergie peut être composée par les hydroliennes marines et les hydroliennes fluviaux. Ce premier chapitre vise notamment à présenter les généralités autour des hydroliennes et à décrire le fonctionnement des hydroliennes à axe vertical.

En premier lieu, les énergies renouvelables marines, les technologies hydroliennes existantes, les avantages et inconvénients des hydroliennes sont présentés. Ensuite, les paramètres hydrodynamiques et géométriques associés aux technologies des hydroliennes à axe vertical sont exposés. En second lieu, un principe de fonctionnement et une modélisation hydrodynamique des hydroliennes à axe vertical sont développés. Le coefficient de couple et le coefficient de puissance seront également présentés dans le but d’évaluer les performances de ces hydroliennes. En dernier lieu, l’analyse des phénomènes physiques des hydroliennes à axe vertical permettant d’avoir une bonne compréhension d’une des problèmes majeurs est abordé.

Énergies renouvelables marines et fluviales

Ressources énergétiques marines
Le potentiel énergétique des océans est considérable. En effet, à l’échelle mondiale, les océans couvrent 71 % de la planète et reçoivent une grande part du rayonnement solaire. Les sources d’énergie provenant des océans sont nombreuses. L’exploitation de ces ressources nécessite majoritairement par la transformation en électricité : éolien off-shore, énergie des vagues, énergie marémotrice, courants de marée, courants océaniques, énergie thermique des mers, énergie des gradients de salinité. Toutefois, la biomasse marine ne passe pas par cette transformation en exploitant les macros ou micros algues. En l’état actuel des connaissances, l’impact environnemental de la plupart de technologies relatives à l’énergie marine est potentiellement faible. De même, l’utilisation des technologies de l’énergie marine permet, entre autres, de réduire les émissions de gaz à effet de serre, et, de minimiser les risques à court et moyen termes sur l’approvisionnement en hydrocarbures.

D’après Ipcc et al. (2011), le potentiel théorique des énergies marines renouvelables électriques est estimé à 180 Gtep/an, bien au-delà des consommations actuelles et futures en énergie primaire. En revanche, le potentiel techniquement exploitable aujourd’hui, en l’état actuel des technologies ne fait pas encore consensus. Selon les études, le potentiel énergétique mondial varie entre 170 et 8 000 million de tonnes d’équivalent pétrole (Mtep) par an (Bossard, 2012).

Les technologies marines de production d’énergie sont prometteuses. Certaines techniques sont actuellement utilisées, en particulier, l’éolien offshore et l’énergie marémotrice. De plus, d’autres technologies sont encore au stade de recherche et développement, voire de prototype industriel pour les plus avancées. Une contribution significative de ces énergies n’est pas attendue avant 2020. Un déploiement à grande échelle dépendra essentiellement de la capacité à abaisser suffisamment les coûts,notamment par rapport au coût des énergies conventionnelles qui augmentera inexorablement. Selon les scénarios analysés dans le rapport du groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat, à l’horizon 2050, le déploiement des énergies des océans (hors éolien off-shore) pourrait atteindre de 2 Mtep si aucun changement de politique n’a lieu, jusqu’à 170 Mtep dans le cas d’une politique volontariste de réduction importante des émissions de gaz à effet de serre (Ipcc et al., 2011).

Énergie des courants marins
Les forces d’attraction entre la Terre, le Soleil et la Lune à l’origine des courants de marée d’une part, et le rayonnement du soleil, à l’origine des vents et différences de températures dans l’océan qui sont la source des grands courants océaniques, d’autre part, constituent l’origine principale des courants marins .

La marée est la variation périodique du niveau de la mer ou des océans due à l’action gravitationnelle de la Lune et du Soleil, modulée par la force centrifuge produite par la rotation de la Terre et de la Lune l’une par rapport à l’autre . La Lune a un effet sur la Terre environ deux fois plus important que le Soleil. Dans le cas où, les trois astres sont alignés, les forces d’attraction s’additionnent, alors, les marées de vives eaux (marées hautes) sont très importantes. En revanche, les deux astres forment entre eux un angle de 90 degrés, appelé quadrature dont les forces du soleil et de la Lune peuvent se contrarier. Aussi, les marées de mortes eaux (marées basses) sont des faibles marées .

Le mouvement de va-et-vient des marées est exploitable pour la production d’énergie sous deux formes distinctes : la différence de hauteur d’eau entre une pleine mer et une basse mer successive, appelée marnage et le déplacement horizontal des masses d’eau à proximité des zones côtières, appelé courants marins. Ce dernier que nous allons l’exploiter dans ce travail pour produire de l’énergie électrique. Il existe deux types de courants marins : les courants de marée et les courants océanique naturels. La plupart des projets actuels d’extraction d’énergie de courants marins sont axés sur les courants de marée.

Un avantage plus significatif des courants de marée est leur grande prédictibilité qui facilite la planification et permet de mieux insérer les systèmes de production utilisant cette énergie au sein des réseaux électriques existant. De plus, les lieux des courants de marée sont près des côtes et leurs vitesses sont plus élevées que les grandes courants océaniques alors les courants de marée ont l’avantage d’être exploitables.

Énergie des courants fluviaux
Depuis plusieurs années, les barrages hydroélectriques ont été déjà exploitées dans le but de produire l’énergie électrique. Mais, ce type des énergies renouvelables hydrauliques nécessitent un investissement en génie civil exorbitant, souvent au détriment de la faune, la flore et des populations environnantes.

Les hydroliennes fluviales sont actuellement en phase de développement. Le but des hydroliennes fluviales est la récupération de l’énergie cinétique, au fil de l’eau. L’avantage des hydroliennes fluviales est que les systèmes des courants fluviaux n’ont pas besoin aucune rétention ou retenue d’eau. Ces hydroliennes peuvent être immergées dans des courants fluviaux de façon à impacter le moins possible sur l’environnement. Au Canada, aux États-Unis, en Amérique Latine, aux Indes, en Chine ou au Portugal et dans d’autres endroits du monde où les lieux sont riches en rivières et fleuves exploitables, les hydroliennes peuvent être une très bonne alternative avec le grand avantage de la continuité de la production d’énergie.

Depuis toujours, les rivières ont joué un rôle important dans le développement de la civilisation, les cités étant bâties autour des cours d’eau. La plupart des zones rurales ou en cours de développement se trouvent à côté des grandes cours d’eau. Toutefois, il faut trouver le bon compromis pour une technologie de l’hydrolienne qui puisse être applicable dans ces zones.

La détermination des ressources fluviales n’est pas du tout facile. En effet, les cours d’eau des différentes pays, constituent une richesse et une potentialité importante. C’est pourquoi, le projet industriel sur les systèmes fluviaux sont actuellement moins nombreux que ceux des marins. Les plus grands constructeurs dans le domaine de l’énergie hydrolienne ont préféré se lancer directement dans la bataille de l’énergie marine, les systèmes développant des puissances beaucoup plus importantes.

Revue littérature des hydroliennes

Historique de l’hydrolienne
Il y a des siècles, l’énergie des courants fut exploitée à l’aide de moulins à marée comportant un barrage et une roue à eau. Grâce à ce dispositif, on produisait de l’énergie mécanique pour moudre les grains (Pierre, 2015).

Technologies des hydroliennes
Les hydroliennes à axe horizontal sont les plus courantes à l’heure actuelle. Néanmoins, il existe de nombreuses technologies différentes d’hydroliennes que l’établissement d’un classement de ces technologies est complexe. Les technologies des hydroliennes peuvent être classées soit d’après le type de force hydrodynamique qui procure le couple moteur, soit d’après la position relative de la direction du courant et de l’axe de rotation. Si le premier critère est considéré, on observe une catégorie des turbines mue par la force de traînée et une autre par la force de portance.

Conclusion générale 

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement du dispositif de récupération des énergies cinétiques fluviales ou marines renouvelables. Les objectifs principaux de cette thèse ont été subdivisés en trois grandes catégories. La première contribution a été de développer les outils numériques permettant d’évaluer le comportement des hydroliennes à axe vertical, tant en termes d’évolution des cofficients de puissance, que de couple en fonction du paramètre d’avance. Le deuxième objectif était d’étudier la sensibilité des paramètres géométriques du dimensionnement afin d’améliorer les performances de l’hydrolienne à axe vertical, liées à l’utilisation des pales droites et hélicoïdales. Le dernier objectif a été porté sur l’optimisation de l’hydrolienne à axe vertical utilisant deux méthodes évolutionnaires, ce qui permet d’estimer les paramètres optimaux des dimensions.

Table des matières

Introduction générale 
1 Généralités sur les hydroliennes 
1.1 Introduction
1.2 Énergies renouvelables marines et fluviales
1.2.1 Ressources énergétiques marines
1.2.2 Énergie des courants marins
1.2.3 Énergie des courants fluviaux
1.3 Revue littérature des hydroliennes
1.3.1 Historique de l’hydrolienne
1.3.2 Technologies des hydroliennes
1.3.3 Potentiel de la ressource hydrolienne
1.4 Avantages et inconvénients des hydroliennes
1.4.1 Comparaison des hydrolienne et éolienne
1.4.2 Comparaison des hydroliennes à axes horizontal et vertical
1.5 Paramètres caractéristiques d’une hydrolienne à axe vertical
1.5.1 Paramètres hydrodynamiques
1.5.2 Paramètres géométriques
1.6 Hydroliennes à axe vertical
1.6.1 Principe de fonctionnement d’une hydrolienne
1.6.2 Référentiels et orientation utilisés
1.6.3 Caractéristiques hydrodynamiques des hydroliennes
1.7 Analyse physique des hydroliennes à axe vertical
1.7.1 Distribution du coefficient de puissance
1.7.2 Analyse de démarrage de l’hydrolienne
1.7.3 Décrochage dynamique
1.8 Conclusion
2 Modélisation numérique d’une hydrolienne à axe vertical 
2.1 Introduction
2.2 Modélisation de la ressource
2.3 Théorie du disque actuateur et limite de Betz
2.3.1 Description du modèle
2.3.2 Équation de continuité
2.3.3 Bilan de quantité de mouvement
2.3.4 Coefficients de puissance et de poussée
2.3.5 Limite de BETZ
2.4 Formule empirique de Glauert
2.5 Théorie de deux disques actuateurs
2.6 Modèle à un tube de courant
2.7 Modèle à tubes de courants multiples
2.7.1 Principe du modèle à tubes de courants multiples
2.7.2 Modèle hydrodynamique des tubes de courants multiples
2.8 Modèle à tubes de courants multiples et deux disques
2.9 Algorithme de calcul des facteurs d’interférence
2.10 Évaluation des performances
2.11 Conclusion
3 Simulation de l’hydrolienne à axe vertical avec de pales droites 
3.1 Introduction
3.2 Paramètres numériques utilisés
3.3 Évolutions des coefficients de puissance et de couple
3.3.1 Coefficient de puissance
3.3.2 Coefficient de couple
3.4 Influence de la solidité
3.5 Influence de nombre des pales
3.6 Influence de la vitesse du fluide
3.7 Influence de l’angle de calage
3.8 Performance de la turbine pour pale symétrique
3.9 Effets des profils de pales symétriques d’un rotor d’hydrolienne
3.10 Conclusion
4 Analyse de l’hydrolienne à axe vertical avec des pales hélicoïdales 
4.1 Introduction
4.2 Géométrie d’une hydrolienne à pales hélicoïdales
4.3 Paramètres géométriques de l’hydrolienne
4.3.1 Profil de pales de l’hydrolienne à pales hélicoïdales
4.3.2 Solidité et allongement d’une pale
4.3.3 Nombre de pales
4.3.4 Angle de couverture circonférentielle
4.3.5 Angle d’inclinaison de pales
4.4 Modélisation des performances de l’hydrolienne
4.5 Résultats des simulations
4.5.1 Description de l’hydrolienne
4.5.2 Évaluation des performances
4.5.3 Comparaison des pales hélicoïdales et droites
4.5.4 Effet de l’angle de l’inclinaison
4.5.5 Influence de l’angle de couverture circonférentielle
4.6 Influence de la solidité et du nombre de pales
4.7 Effet de la hauteur de la turbine
4.8 Conclusion
5 Optimisation de l’hydrolienne à axe vertical par PSO 
5.1 Introduction
5.2 Problème d’optimisation
5.2.1 Formulation du problème d’optimisation
5.2.2 Méthodes d’optimisation
5.2.3 Méthodes exactes
5.2.4 Optimisation difficile
5.2.5 Algorithmes d’optimisation approchée
5.3 Optimisation par essaim de particules
5.3.1 Principe général
5.3.2 Formalisation mathématiques de PSO
5.4 Algorithme d’optimisation par essaim de particules
5.5 Paramètres de l’algorithme de PSO
5.5.1 Nombre de particules
5.5.2 Nombre d’itérations
5.5.3 Coefficient d’inertie
5.5.4 Confinement des particules
5.5.5 Coefficient de constriction
5.5.6 Topologie du voisinage
5.6 Validation de l’algorithme de PSO
5.7 Extension de PSO à l’optimisation du dimensionnement de l’hydrolienne à
axe vertical
5.7.1 Problématique à étudier
5.7.2 Fonction objectif de l’optimisation de l’hydrolienne
5.7.3 Optimisation de l’hydrolienne par PSO
5.8 Algorithme d’optimisation de l’hydrolienne
5.9 Application de PSO à l’optimisation de l’hydrolienne à pales droites
5.9.1 Paramétrage
5.9.2 Résultats numériques et analyse
5.9.3 Évaluation des performances de l’hydrolienne à pales droites
5.10 Application de PSO à l’optimisation de l’hydrolienne à pales hélicoïdales
5.10.1 Présentation d’une solution
5.10.2 Paramétrage
5.10.3 Résultats et discussion de l’optimisation
5.10.4 Évaluation des performances de l’hydrolienne à pales hélicoïdales
5.11 Conclusion
6 Optimisation de l’hydrolienne à axe vertical par l’algorithme génétique
6.1 Introduction
6.2 Concepts de base des algorithmes génétiques
6.3 Structure de l’algorithme génétique
6.3.1 Codage des paramètres
6.3.2 Génération de la population initiale .
6.3.3 Évaluation de la fonction d’adaptation
6.3.4 Sélection de parents
6.3.5 Croisement
6.3.6 Mutation
6.3.7 Insertion
6.3.8 Critère d’arrêt et convergence
6.4 Vérification et validation des algorithmes génétiques
6.5 Extension de l’algorithme génétique à l’optimisation du dimensionnement
de l’hydrolienne à axe vertical
6.5.1 Problématique étudié
6.5.2 Présentation d’un individu
6.5.3 Codage des solutions
6.5.4 Algorithme d’optimisation de l’hydrolienne
6.6 Application de l’algorithme génétique à l’optimisation de l’hydrolienne à
pales droites
6.6.1 Paramétrage de l’algorithme génétique
6.6.2 Résultats expérimentaux et discussions de l ‘optimisation
6.6.3 Analyse des performances de l’hydrolienne
6.7 Application de l’algorithme génétique à l’optimisation de l’hydrolienne à
pales hélicoïdales
6.7.1 Paramétrage
6.7.2 Résultats et discussions de l ‘optimisation
6.7.3 Analyse des performances de l’hydrolienne
6.8 Comparaison de résultats de l’optimisation des hydroliennes
6.8.1 Comparaison des performances entre les algorithmes PSO et AG
6.8.2 Comparaison des performances des hydroliennes
6.9 Conclusion
Conclusion générale

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