Le solaire Photovoltaïque pour le pompage
Principe général du pompage solaire
La production d’énergie électrique est assurée par les panneaux solaires photovoltaïques (1) sous forme d’un courant continu qui est converti en courant alternatif à travers un convertisseur statique (3) afin d’alimenter un groupe motopompe immergé ou flottant (2). Le groupe motopompe est composé d’un moteur à courant alternatif mono, bi ou triphasé ou à courant continu à commutation électronique qui est couplé à une pompe centrifuge à étages multiples ou à une pompe volumétrique ou autre suivant le débit recherché.
Les systèmes proposés sont composés de modules photovoltaïques montés sur un châssis de support incliné suivant la latitude du site afin d’optimiser la production photovoltaïque, ou rotatif suivant la course du soleil.
Figure 10: Le schéma de principe du pompage solaire source : (LORENTZ, 2013)
Une pompe photovoltaïque peut fonctionner avec ou sans batterie. Alors la batterie est utilisée pour stocker l’électricité produite par les modules, la pompe sans batterie ou « pompe au fil du soleil», utilise un réservoir pour stocker l’eau jusqu’au moment de son utilisation.
La pompe avec batterie assure un débit de pompage bien déterminé et constant et permet de s’affranchir des aléas du soleil. Cependant, la batterie peut influencer la fiabilité et le coût global du système. Les batteries sont fragiles et sont souvent les premiers éléments qui auront besoin d’être changées. Elles nécessitent en outre un entretien constant et un contrôle rigoureux de leur charge et décharge (A. Labouret, 2003). Les contrôleurs utilisés pour régulariser la charge et la décharge des batteries vieillissent rapidement et peuvent s’avérer non fiables. Les batteries introduisent également un certain degré de perte de rendement d’environ 20% à 30 % de la production d’énergie.
Le pompage au fil du soleil permet d’avoir un système photovoltaïque plus fiable, moins coûteux et simple, plus qu’un système avec batterie. Le stockage se fait de manière hydraulique dans un réservoir ou un bassin. (J. ROYER, 2002)
Figure 11: Caractéristiques du débit pour le pompage au fil du soleil et avec batterie source : (J. ROYER, 2002)
Dimensionnement d’un système de pompage solaire pour l’irrigation
Dans ce chapitre nous allons proposer Les différentes étapes pour le dimensionnement d’un système de pompage solaire appliquées pour l’irrigation ou la fourniture de l’eau domestique et l’abreuvement du bétail.
1 – Conception et dimensionnement d’un système de pompage photovoltaïque
L’utilisation des pompes solaires photovoltaïques peut servir à des usages multiples comme la fourniture de l’eau domestique, l’abreuvement du bétail et l’irrigation. Pour parvenir à un dimensionnement optimal, il y a trois phases principales :
1ère Phase : Détermination des besoins en eau.
Cette phase nécessite une connaissance du type de besoin de l’eau et la quantification de ce besoin selon des normes connues .En ce qui concerne l’irrigation, il faut bien connaitre la plantes à irriguer, la nature des sols, les conditions atmosphériques (vents, humidité, etc.).
2ème Phase : Dimensionnement de la motopompe.
Plusieurs données sont nécessaires pour le choix des pompes : la profondeur du forage, de la hauteur de stockage, du débit de pompage recherché, de son alimentation électrique en continu ou alternatif mono ou triphasé, etc.
3ème Phase : Dimensionnement et montage du système PV.
Ce dimensionnement tient compte (en gros) de la puissance nominale de la pompe majorée des différentes pertes (conversion de tension, régulation, etc.) et de l’ensoleillement du site. Son montage (Orientation) dépend de sa position géographique (longitude).
Analyse des besoins en eau
En général, l’évaluation d’une pompe solaire nécessite la disposition en trois paramètres techniques :
- Le débit journalier ou La quantité d’eau requise par jour ;
Le débit (Q) est la quantité d’eau que la pompe peut fournir durant un intervalle de temps donné. En pompage solaire Q est exprimé en m³/Jour, ce volume journalier dépend de plusieurs paramètres :
- La surface totale des champs a irriguée et les besoins en eau des cultures
- Le débit maximal du forage
- Le temps de fonctionnement du forage
- irradiation moyenne journalière incidente sur le plan des modules à l’inclinaison β (kWh/m2/jour).
- le rendement du système solaire
- Le besoin en eau ou La disponibilité de l’eau ;
La connaissance des caractéristiques du point d’eau est un élément nécessaire parce que il est connu que la capacité de production d’eau est un facteur limitant, qui doit être évalué à travers la détermination de la disponibilité de l’eau : mesurer le diamètre du puits ou du forage, le niveau statique et le niveau dynamique “essai de débit » et la qualité de l’eau.
Afin de déterminer la puissance électrique nécessaire, il est indispensable de quantifier le besoin en eau demandé. A titre d’exemple, les besoins en eau potable en milieu rural sont estimés comme suit :
- Population : 20 l/j /
- Petit bétail : 20 l/j / tête.
- Gros bétail : 40 l/j / tête.
Figure 23: Besoins en eau : m³ /J
- Hauteur manométrique totale (HMT)
Par définition, HMT d’une pompe la charge totale de l’eau à développer entre l’aspiration et le refoulement.
𝐻𝑀= + 𝑃𝑐ℎ
Où Hg = hauteur géométrique totale correspondant à la somme des hauteurs d’aspiration et de refoulement.
Pch = pertes de charge linéaires et singulières dans les conduites dues aux frottements et aux différents accessoires du réseau. Ces pertes sont fonction de la longueur des conduites (D), de leur diamètre (dc) du débit de la pompe (Q) et de la nature du matériau des conduites. Elles s’expriment en mètres colonnes d’eau.
Niveau statique(Ns) :
Ns d’un puits ou d’un forage est la distance du sol à la surface de l’eau avant pompage.
Niveau dynamique(Nd) :
Nd d’un puits ou d’un forage est la distance du sol à la surface de l’eau pour un pompage à un débit donné.
Pour le calcul de la HMT, le niveau dynamique est calculé pour un débit moyen.
Rabattement (Rm) :
Rm d’un puits ou d’un forage est la différence entre le niveau dynamique (Nd) et le niveau statique (Ns).
(Rm est le rabattement maximal acceptable avant de stopper la pompe).
Figure 24: Données de base d’une pompe
Par ailleurs, des données géographiques, techniques et éléments socio-économiques supplémentaire doivent être pris en compte tels que :
- La population exacte et sa répartition dans le village ;
- Les utilisations souhaitées de l’eau afin de mieux valoriser le projet ;
- La localisation exacte du point d’eau ;
- Les aménagements nécessaires pour l’exhaure et l’exploitation de l’eau ;
- La nature des activités villageoises ;
- Les organisations internes du village (association, coopération…) en vue d’une prise en charge de l’exploitation et de la maintenance des équipements pour assurer la pérennité du service.