Les corps flottants servant de capteur pour la récupération de l'énergie des vagues sont exposés, par nature, à des mers fortes et leur conception fait qu'ils seront a priori animés de grands mouvements. Cette particularité fait que la simulation numérique de leur comportement sur houle ne pourra pas se satisfaire de l'approche linéarisée. Une part importante et fortement non-linéaire de l'excitation du flotteur tient dans les termes dits « hydrostatiques » des efforts de pression dès lors que l'on tient compte de la déformation de la surface libre et du déplacement du corps. Ils se calculent par une intégrale dont le noyau est simple, mais dont le support (la surface instantanément mouillée) est ici bien plus difficile à déterminer. Ainsi, la première partie du travail présentée est consacrée au développement d'algorithmes permettant ce suivi de surface déterminé par l'intersection de la surface libre réelle et du corps (de forme non nécessairement simple) dans sa position déplacée. Pour la partie proprement hydrodynamique du problème, il a été utilisé une approche de champ complémentaire, déjà utilisée au LMF dans d'autres contextes, et en particulier pour les modélisations couplées fluide parfait/ fluide réel. Le champ incident est donné par une représentation spectrale qui permet d'avoir dans tout l'espace une expression analytique du champ incident en formulation non-linéaire. Le problème de la perturbation du champ incident est ensuite résolu par une méthode linéaire (singularités de Kelvin), en se basant sur des logiciels développés antérieurement au LMF. Les applications présentées concernent essentiellement la modélisation numérique du comportement du module SEAREV de récupération d'énergie des vagues.

Les fermes houlomotrices de seconde génération qui seront déployées dans les années qui viennent seront composées d’un grand nombre de modules identiques mouillés en mer et rapportant au rivage l’électricité produite par câbles sous-marins. Il a été montré que le contrôle des machines houlomotrices permet d’augmenter significativement leur rendement. Cependant, le contrôle optimal d’un système houlomoteur est non causal, i.e. son application nécessite la prévision de la force d’excitation soumise par le champ de vague sur chacun des éléments de la ferme. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont consisté à mettre en place une stratégie de contrôle permettant une récupération d’énergie proche de l’optimum théorique en tenant compte des interactions hydrodynamiques liées à la configuration de ferme et permettant de résoudre la non-causalité d’un tel contrôleur en utilisant uniquement l’information contenue dans les vecteurs d’états des machines de la ferme. Dans un premier temps, les équations reliant les différents états des machines de la ferme ont été établies puis ont été utilisées afin d'effectuer une prévision des états sur les corps contrôlés permettant ainsi d’appliquer un contrôle réactif pseudo causal. Afin de contraindre la dynamique des corps et maitriser l’horizon de non causal du contrôleur, une méthode de fenêtrage a été appliquée à l’impédance du contrôleur. À l’aide d’un simulateur temporel développé spécifiquement, une étude de sensibilité a été conduite pour définir les paramètres optimaux et le comportement de la stratégie de contrôle et de son fenêtrage. La robustesse et la performance du contrôleur ont ensuite été évaluées pour différents changements extérieurs comme la dérive des corps, les variations d’orientation de houle, et l’étalement spectral directionnel. L’application de la stratégie de contrôle à une ferme de 10 corps a montré une récupération d’énergie supérieure à 83% de la limite théorique maximale. / The next generation of wave farms will becomposed of a large number of identical devices deployed offshore, which will transfer the retrieved energy to the shore using submarine cables. It hasbeen proven that the control of Wave Energy Converters can improve their efficiency. However, one of the main challenges of WEC control is the noncausality of the optimal controller. Indeed, the time domain application of this kind of control requires the forecast of the excitation force applied by the wavefield on each device of the farm. The work presented in this thesis aimed at developing and assessing a control strategy with an energy efficiency close to the theoretical optimum, taking into account the hydrodynamic interactions between the farm devices, and solving the non-causality issue using the measurements of the states of the device of the array. First, the equations linking the devices’ states within the array have been established and used to performa deterministic forecast of the states of the controlled bodies, which allowed to apply a pseudo-causal reactive control. Moreover, a window function hasbeen applied to the controller impedance in order to constrain the dynamic of the controlled bodies, and also to regulate the non-causal horizon of the controller. Then, using a time domain simulator developed specifically, a sensibility analysis has been performed to define the optimal parameters and the behavior of the controller with the window function.The robustness and the performances of the controller have also been assessed when affected by exterior changes such as device drift, wave orientation modification, and directional spreading of the wave spectrum. The collaborative controlled strategy applied to a farm of 10 devices has shown an energy efficiency over 83% of the theoretical bound.

Le développement des systèmes houlomoteurs ainsi que la gestion du littoral reposent sur une bonne compréhension des mécanismes liés aux interactions houle-structure. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'étude d'un champ de structures flexibles soumises à des ondes de surface, en vue de développer un système qui puisse à la fois atténuer les vagues et absorber l'énergie qui leur est associée de manière efficace. Les résultats présentés se basent autour d'expériences réalisées dans des installations de petite échelle, dans lesquelles la disposition spatiale des objets flexibles est le principal paramètre étudié. Dans un premier temps, nous caractérisons notre champ modèle afin d'évaluer l'influence de divers paramètres (configuration, flexibilité, fréquences des vagues) sur la distribution de l'énergie dans le système. Sur la base de ces résultats, nous développons ensuite un modèle d'interférences permettant de décrire les observations globales du système à partir de paramètres locaux connus, associés à une portion unitaire du champ. Ce modèle nous sert ensuite d'outil pour l'exploration d'une multitude de configurations spatiales, afin de déterminer le choix optimal vis-à-vis de l'atténuation et de l'absorption des vagues incidentes. Enfin, une campagne de mesures supplémentaire est utilisée afin d'expliquer les résultats obtenus avec le modèle et d'identifier les principes sous-jacents à cette optimisation / Understanding the mechanisms involved in wave-structure interactions is of high interest for the development of efficient wave energy harvesters as well as for coastal management. In this thesis, we study the interactions of surface waves with a model array of slender flexible structures, in view of developing an efficient system for both attenuating and harvesting wave energy. The presented results are based around experimental investigations, by means of small scale facilities, in which the spatial arrangement of the flexible objects is the key parameter of study. The model array is first characterised by evaluating the role played by various parameters (configuration, flexibility, wave frequency) on the energy distribution in our system. Following these first observations, an interference model is then developed in order to describe the observed global effects of the array on both the wave field and the blade dynamics, based on known local parameters of a unit item of the array. This model then serves as a tool for exploring many possible array configurations, in order to determine the optimal choice regarding both the attenuation and the absorption of the imposed waves. A final experimental study is presented, in which the key results from the interference model are evaluated and the underlying principles of array optimisation are identified

L'environnement côtier de l'île de Mayotte (nord du canal du Mozambique, océan Indien) se caractérise par l'existence d'un vaste complexe récifo-lagonaire au sein duquel se développe un littoral particulièrement diversifié et marqué par la présence de nombreuses mangroves. Plusieurs campagnes de mesures hydrodynamiques et d'observations morphologiques ont été effectuées afin d'apporter des éléments de compréhension sur l'évolution et le fonctionnement morphodynamique de ce type de littoral mixte à mangroves et récifs coralliens. Les observations de terrain conjuguées à une analyse diachronique de photographies aériennes ont permis de montrer le caractère très variable de la dynamique des mangroves avec une progression ou une stabilité au nord et à l'est de l'île, et inversement, une évolution nettement régressive au sud et à l'ouest. Les mesures hydrodynamiques ont donné lieu à une analyse des paramètres de houle et de courant en se focalisant sur leurs variabilités spatiales et temporelles. Les résultats obtenus montrent l'importance de l'architecture récifale sur les processus hydrosédimentaires et le développement des formes littorales. L'évolution et la dynamique des mangroves de Mayotte apparaissent ainsi fortement influencées par les caractéristiques morphologiques des structures récifales amont qui engendrent une plus forte vulnérabilité des mangroves du sud et de l'ouest face à une déstabilisation naturelle ou anthropique. La disparition des formations végétales des mangroves du sud et de l'ouest de l'île entraine une réorganisation des répartitions sédimentaires et la mise en place de nouveaux systèmes de fonctionnement morphodynamique. L'ampleur des phénomènes constatés a montré la nécessité de mettre en place un observatoire opérationnel de surveillance de la dynamique côtière. Cet outil, basé sur un réseau de mesures et d'observations de terrain et sur la réalisation d'un Système d'Information Géographique (SIG), a pour but de favoriser le suivi et l'évaluation de l'état du littoral. Dans un contexte local de fort développement et dans celui, plus global, de mutations environnementales, cet outil de surveillance et d'analyse permet une meilleure compréhension de la morphodynamique des côtes mahoraises et apporte une aide à la décision et à la gouvernance afin d'orienter les politiques de gestion de ce milieu fragile, à forts enjeux et en constante évolution.

Les travaux consignés dans cette thèse concernent un système endulaire de récupération de l'énergie des vagues en forte puissance (de l'ordre du MW) (SEAREV). Ils ont été menées en vue de la conception optimale de la chaîne électrique de récupération. Dans cet objectif, il a fallu prendre en compte les différents couplages hydrodynamique - mécanique - électrique - contrôle, ceci dans un contexte de sollicitations fluctuantes. Grâce à une collaboration avec le LMF de l'école Centrale de Nantes, nous avons pu disposer des modèles hydrodynamiques adaptés, et ainsi développer une méthodologie de dimensionnement de la chaîne de récupération sur cycles complexes. Différents modes de contrôle du système pendulaire ont été étudiés et comparés, notamment celui à amortissement optimal avec écrêtage de la puissance qui permet un meilleur dimensionnement de la chaîne électrique. Ces travaux ont permis de déterminer les profils de couple et vitesse du pendule et donc de la machine permettant le dimensionnement d'une architecture électromagnétique à flux radial et à aimants permanents en surface. Les résultats sont principalement présentés sous forme de front de Pareto : coût des parties actives / pertes énergétiques sur cycle. Des études de sensibilité de quelques paramètres (machine et ressource) ont été menées et analysées afin de conserver un regard critique sur les résultats.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l'étude du dimensionnement d'une chaine de conversion électrique en entrainement direct d'un système direct de récupération de l'énergie des vagues (searev). Cette chaine de conversion est composée d'une génératrice synchrone à aimants permanents solidaire d'un volant pendulaire, d'un convertisseur électronique composé de deux ponts triphasés à modulation de largeur d'impulsion, l'un contrôlant la génératrice, l'autre permettant d'injecter l'énergie électrique au réseau. En complément, un système de stockage de l'énergie (batterie de supercondensateurs) est destiné au lissage de la puissance produite. Le dimensionnement de tous ces éléments constitutifs nécessite une approche d'optimisation sur cycle, dans un contexte de fort couplage multi-physique notamment entre les parties hydrodynamique et électromécanique. Dans un premier temps, l'ensemble génératrice-convertisseur, dont le rôle est d'amortir le mouvement d'un volant pendulaire interne, est optimisé en vue de minimiser le coût de production de l'énergie (coût du kWh sur la durée d'usage). Cette optimisation sur cycle est réalisée en couplage fort avec le système houlogénérateur grâce à la prise en compte conjointe de variables d'optimisation relatives à l'ensemble convertisseur-machine mais aussi à la loi d'amortissement du volant pendulaire. L'intégration d'une stratégie de défluxage, intéressante pour assurer un fonctionnement en écrêtage de la puissance, permet, dès l'étape de dimensionnement, de traiter l'interaction convertisseur-machine. Dans un second temps, la capacité énergétique du système de stockage de l'énergie fait l'objet d'une optimisation en vue de la minimisation de son coût économique sur cycle de vie. Pour ce faire, nous définissons des critères de qualité de l'énergie injectée au réseau, dont un lié au flicker, et nous comparons des stratégies de gestion de l'état de charge tout en tenant compte du vieillissement en cyclage des supercondensateurs dû à la tension et à leur température. Dans un troisième temps, à partir de données d'états de mer sur une année entière, nous proposons des dimensionnements de chaines de conversion électrique qui présentent les meilleurs compromis en termes d'énergie totale récupérée et de coût d'investissement.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l'étude du dimensionnement d'une chaine de conversion électrique en entrainement direct d'un système direct de récupération de l'énergie des vagues (searev). Cette chaine de conversion est composée d'une génératrice synchrone à aimants permanents solidaire d'un volant pendulaire, d'un convertisseur électronique composé de deux ponts triphasés à modulation de largeur d'impulsion, l'un contrôlant la génératrice, l'autre permettant d'injecter l'énergie électrique au réseau. En complément, un système de stockage de l'énergie (batterie de supercondensateurs) est destiné au lissage de la puissance produite. Le dimensionnement de tous ces éléments constitutifs nécessite une approche d'optimisation sur cycle, dans un contexte de fort couplage multi-physique notamment entre les parties hydrodynamique et électromécanique. Dans un premier temps, l'ensemble génératrice-convertisseur, dont le rôle est d'amortir le mouvement d'un volant pendulaire interne, est optimisé en vue de minimiser le coût de production de l'énergie (coût du kWh sur la durée d'usage). Cette optimisation sur cycle est réalisée en couplage fort avec le système houlogénérateur grâce à la prise en compte conjointe de variables d'optimisation relatives à l'ensemble convertisseur-machine mais aussi à la loi d'amortissement du volant pendulaire. L'intégration d'une stratégie de défluxage, intéressante pour assurer un fonctionnement en écrêtage de la puissance, permet, dès l'étape de dimensionnement, de traiter l'interaction convertisseur-machine. Dans un second temps, la capacité énergétique du système de stockage de l'énergie fait l'objet d'une optimisation en vue de la minimisation de son coût économique sur cycle de vie. Pour ce faire, nous définissons des critères de qualité de l'énergie injectée au réseau, dont un lié au flicker, et nous comparons des stratégies de gestion de l'état de charge tout en tenant compte du vieillissement en cyclage des supercondensateurs dû à la tension et à leur température. Dans un troisième temps, à partir de données d'états de mer sur une année entière, nous proposons des dimensionnements de chaines de conversion électrique qui présentent les meilleurs compromis en termes d'énergie totale récupérée et de coût d'investissement. / The work presented in this thesis sets forth the study of the sizing of a direct-drive electrical conversion chain for a direct wave energy converter (SEAREV). This electrical chain is made up of a permanent magnet synchronous generator attached to a pendular wheel and a power-electronic converter made up of two three-phase pulse width modulation bridge, one controlling the generator, the other allowing injecting electrical energy into the grid. In addition, an energy storage system (bank of supercapacitors) is intended to smooth the power output. The sizing of all these components needs an operating cycle optimization approach, in a system context with strong multi-physics coupling, more particularly between hydrodynamical and electromechanical parts. At first, the generator-converter set, whose role is to damp the pendular movement of an internal wheel, is optimized with a view to minimize the cost of energy (kWh production cost). This optimization, based on torque-speed operating profiles, is carried out considering a strong coupling with the wave energy converter thanks to the consideration as design variables, some relatives to the generator-converter sizing but also some relatives to the damping law of the pendular wheel. In addition, the consideration of a flux-weakening strategy, interesting to ensure a constant power operation (levelling), allows, as soon as the sizing step, to deal with the generator-converter interaction. In a second step, the rated energy capacity of the energy storage system is being optimized with a view of the minimization of its economical life-cycle cost. To do this, we define quality criteria of the power output, including one related to the flicker, and we compare three energy managment rules while taking into account the power cycling aging of the supercapacitors due to the voltage and their temperature. In a third step, from yearly sea-states data, we provide sizings of the direct-drive electrical conversion chain that are the best trades-offs in terms of total electrical produced energy and economical investment cost.