Contribution to the design and control of a hybrid renewable energy generation system based on reuse of electrical and electronics components for rural electrification in developing countries

par Bunthern Kim

Thèse de doctorat en Génie Electrique

Sous la direction de Pascal Maussion et de Maria Pietrzak-David.

  • Titre traduit

    Contribution à la conception et la commande optimale d'un système hybride génération d'énergie électrique à base d'énergies renouvelables et de constituants recyclés en vue de l'alimentation d'un village isolé dans un pays en voie de développement


  • Résumé

    Bien que le gouvernement cambodgien s’efforce d’augmenter sa production d’électricité pour répondre à sa demande en énergie, il reste toujours dépendant de réseau électrique existant ou de l’extension du réseau dont le coût d’investissement initial est élevé. La solution temporelle consiste à employer un système de production d'énergie distribué qui présente un coût de cycle de vie inférieur et introduit une diversité de technologies pour répondre aux applications. Minimiser les impacts environnementaux représente un objectif majeur du développement durable, compte tenu de l'épuisement des ressources et des capacités d'adaptation limitées de l'environnement. Les ressources en énergies renouvelables ont été bien comprises comme les solutions pour alimenter le développement rural et réduire les impacts environnementaux de la production d’énergie. Suivant les progrès technologiques et de la demande croissante des consommateurs, de grande quantité de déchets électriques et électroniques ont entraîné de graves conséquences pour l’environnement. Les stratégies actuelles reposent principalement sur les techniques classiques de collecte et de traitement des déchets. Ce travail de thèse proposait une solution de réutilisation des composants électroniques dans un système d'énergie renouvelable hybride isolé pour la solution d'électrification pour la zone rurale. Une configuration choisie pour le système proposé est un système de génération hybride solaire-hydroélectrique, car les ressources solaires et hydrauliques sont abondantes dans les zones rurales du Cambodge. Les composants qui sont réutilisés dans la solution comprennent des blocs d’alimentation d’un PC (PSU) pour la partie solaire, des alimentations sans interruption (UPS) et des machines asynchrone triphasées pour la partie hydraulique. Les batteries automobiles usagées sont utilisées pour le stockage d’énergie. Ce travail de thèse aborde dans une première partie l’évaluation des impacts environnementaux de la solution de réutilisation proposée. Cette étude repose sur la méthodologie de l’Analyse du Cycle de Vie (ACV) qui compare les impacts du cycle de vie de la solution proposée à ceux d’une solution conventionnelle. La deuxième partie de ce travail traite des aspects technologiques de la solution de réutilisation, à la fois en théorie et en expérimentation. La première partie de cet aspect concerne la reconversion des blocs d’alimentations usagées. Le bloc d'alimentation, qui contient généralement l'un des quelques types de convertisseurs DC-DC isolés, est réutilisé comme contrôleur de charge, qui est le composant principal du système de générateur photovoltaïque. La dernière partie de cette thèse décrit une nouvelle configuration de générateur basé sur des moteurs asynchrone triphasés. Le générateur monophasé proposé basé sur une machine triphasée est une version modifiée d'une topologie à base de l’onduleur où deux enroulements sont alimentés séparément par sources d'excitation, et l'autre enroulement est connecté à la charge. Une nouvelle modélisation est proposée. Les résultats de simulation sont comparés aux résultats expérimentaux en alimentation sinus. La comparaison met en évidence une supériorité de la nouvelle configuration par rapport à l'ancienne en termes de rendement et de minimisation de pulsations de couple


  • Résumé

    While the Cambodia’s government is making effort to increase electricity production for its energy demand, it still remains dependent on the existing or the expansion of the centralized grid lines which have high initial investment cost. The temporally solution is to employ a distributed energy generation system which has lower life cycle cost and provides a diversity of technologies to meet the desired applications. Minimizing environmental impacts represents a major objective of sustainable development considering resources depletion and the limited capabilities of the environment to adapt. The potential of renewable energy resources has been well understood as the solutions to power rural development and to reduce the environmental impacts of energy generation. Due to advance in technologies and increasing consumer demands, there has been a vast amount of electrical and electronic waste which introduces severe impacts on the environment. The current strategies mainly rely on conventional waste collection and processing techniques for material recovery. This thesis proposed a solution of reusing discarded components in an isolated hybrid renewable energy system as the solution for electrification of rural Cambodia. This is frugal innovation, local solution with local materials for and with local people. A suitable configuration for the proposed system is a solar-hydro hybrid generation system since solar and water resources are plentiful in rural Cambodia. The components that are reused in the solution after being discarded include computer power supply units (PSUs) for the solar part, uninterruptable power supply units (UPSs) and three phase induction machines for the electrohydro part. Used auto-mobile batteries will be used for the system storage. The thesis presents in the first part the evaluation of the environmental impacts of the proposed reuse solution for rural electrification. The study of the environmental impacts is based on Life Cycle Assessment (LCA) methodology which compares the life cycle impacts of the proposed solution to that of a conventional solution. Moreover, a sensitivity analysis is achieved in order to evaluate the impacts of uncertainties of the environmental impacts. The second part of this work deals with the technological aspects of the reuse solution in both theory and experimentation. The first part of this aspect is focused on the repurposing of used computer power supply units (PSUs), through limited modifications of the circuits in order to increase its range of operation. The PSU which usually contains one of a few types of isolated DC-DC converters is repurposed as charge controller with MPPT control in a cheap micro-controller with very good results. The last part of this thesis studies a new configuration of generators based on re-used three-phase induction motors. The proposed single-phase generator is based on a three-phase machine in a modified version of the coupling and with a rather uncommon supply. Modelling is highly investigated. An inverterassisted topology where two windings will be supplied separately by two inverters for excitation and the remaining winding is connected to load. A new modeling of the generator has been studied. The results of simulation were compared to experimental test results in open loop study. These results have demonstrated the advantages of the new configuration in comparison to the previously proposed inverter-assisted topology in term of efficiency and minimization of torqueripple


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