Le pompage solaire photovoltaique








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Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours Direction des Opérations /CDER /Janvier 2005

CENTRE DE DEVELOPPEMENT DES ENERGIES RENOUVELABLES

CDER





LE POMPAGE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE

Manuel de cours


P
Centre de Développement des Energies Renouvelables (CDER) -Direction des opérations

Quartier Issil, Rue Ekl Mechaar Al haram .BP.509/Marrakech-Gueliz

Tél.: 00 212 0é4 30 98 14/22 - Fax. :00 212 30 97 95 - Email.


ar : Mr.M.BAKRI –Directeur des Opérations


CHAPITRE I

Composants d'une pompe solaire photovoltaïque




1-Architecture d’un système PS :



Générateur Armoire de Groupe

solaire commande moto-pompe

photovoltaïque et de contrôle

2-Types de systèmes PS :
* Pompage avec stockage (stockage électrique)

* Pompage au fil du soleil (stockage de l’eau)
- Avantages : -Inconvénient :




- Modularité - Faible rendement Global

- Fiabilité technique - Accessoires électroniques

- Bonne acceptabilité sociale - Coût initial




Figure1 .

Caractéristiques du débit pour le pompage au fil du soleil et avec batterie

3-Le Générateur solaire(Gs) :


  • Ensemble de modules solaires PV

  • Si Mono cristallin, Poly ou mono

  • Fixe ou avec suiveur (Trackers)

  • Modulaire (en fonction HMT et débit)

  • Caractéristiques électriques :

-Tension Circuit Ouvert ( Vco)

- Courant Court –Circuit ( Icc, )

- Tension optimale ( Vopt.)

- Corant Optimum (Iopt.)

- Puissance Optimale (Popt.)

- Puissance crêteVopt. (Pc)
4-Coffret de commande et de Contrôle :
il peut comprendre selon les cas :

  • Un simple interrupteur (Commande On/Off)

  • Un adaptateur d’impédance(Convertisseur CC)

  • Un onduleur(Convertisseur CC/CA )

  • Une carte électronique de command


5-Le Groupe moto-pompe(GMP)

5.1- les types de pompes

  • Pompe volumétrique : Transmission de l'énergie cinétique du moteur en mouvement de va-et-vient

  • Pompe centrifuge.

  • Pompe à aspiration

  • Pompe à refoulement.




Figure.2 :Pompe à piston (jack pump) :

Pour de grandes profondeurs et de petits débit d'eau


figure 3 :Caractéristiques d'une pompe volumétrique


-La pompe centrifuge


  • Pompe centrifuge : Transmission énergie cinétique du moteur au fluide par un mouvement de rotation de roues à aubes ou d'ailettes.

  • Pompe sub-mersible avec moteur de surface

  • Pompe submergé,

  • Pompe flottante

  • Pompe rotatives à aspiration.




Figure 4

Cheminement de l'écoulement dans une pompe centrifuge

à étages multiples

-Caractéristiques des pompes centrifuges




  • Conception pour des HMT relativement fixes:

(30 à+ 100m)

  • Débit proportionnel à la vitesse de rotation du moteur.

  • Rendement hydraulique 45 à 60%

  • Durée de vie 5 à 7ans

  • Faible entretien et maintenance

  • Lubrification assurée par l'eau pompée.

  • Nombre d'étages lié à la HMT

  • Usage pour l'irrigation de petits maraîchages

(faible HMT)

Figure 5

Pompe submersible centrifuge à étages multiples



Figure 6

Caractéristiques d'une pompe centrifuge



figure 7

Pompe centrifuge flottante
-Comparaisons entre les pompes centrifuges

et les pompes volumétriques



Figure 8

Choix d'une pompe selon la HMT et le débit demandés

5-2-Les types de Moteurs
« Moteur d'un GMP :

- Moteur à courant continu



Figure 10

Moteur à courant continu avec balais

*Inconvénient : changement balais périodiquement

( 5000h fonctionnement)
-Moteur à courant alternatif



  • utilisé de plus en plus pour les systèmes de pompage PV

  • coût peu élevé

  • nécessité d’usage d’un onduleur( conversion C.C du Gs en CA)

  • moteurs alternatifs asynchrones sont les plus couramment employés


5-3-L'onduleur (moteur alternatif)
-Fonctions de l’onduleur :

  • Transformer le courant continu, produit par le générateur solaire, en courant alternatif monophasé ou triphasé.

  • Adapter le point de fonctionnement (courant-tension) au générateur (Recherche du point de puissance maximale du générateur /MPPT, maximum power point tracking )




  • Gérer et protéger l'installation (Protection: surchauffe, surcharge, sous-charge, surtension, sous- tension, défaut à la terre, court–circuit fonctionnement à sec, blocage groupe moto pompe, inversion de polarité, réservoir plein ,Contrôle de mise en marche et indication de pannes par voyants lumineux..)


-Caractéristiques
  • Durée de vie moyenne de 7 ans

  • Fréquence (f) variable


° Tension nominale CA peut être standard

(220 ou 380V,80 V cas PS).

-Types Onduleurs

  • Onduleur à onde sinusoïdale modifiée, en marche

d'escalier : Générateur d'une onde proche de

l'onde sinusoïdale.

  • Onduleur à modulation de largeur d'impulsion

(PWM, « pulse-width » modulation employés par la

plupart des systèmes de pompage à courant alternatif ,

rendement 90 à 95 %)

  • Onduleur à onde sinusoïdale.



Figure 11

Courbe d'ondes de sortie d'un onduleur de pompage

7-Rendement du Groupe MP –Générateur PV


  • Rendement d'un moteur CC série est de 80 à 85%

  • Rendement d'un moteur AC asynchrone80 à 85%

  • Rendement hydraulique des P. solaires45 à 60 %,

  • Tenir compte de la variation de la HMT




Figure 12

Rendement instantané d'une pompe centrifuge immergée

en fonction de la HMT

CHAPITRE 2
Dimensionnement d'une pompe solaire photovoltaïque




1-Prospection du site
-Meilleure connaissance du site ( Accès , Situation géographique , situation énergétique , infrastructure hydraulique, population , cheptel ..)

-Prospection des ouvrages hydrauliques (disponibilité de l’eau , caractéristiques hydrauliques , physiques,emplacement…)

-Recueil et analyse des données de base (N° habitants , N° et type du cheptel , moyens utilisés , activité sociale .. ;)

-Elaboration d’une fiche d’identification du site , plan de masse , photos .. ;)
2-Analyse des besoins et des conditions d’exploitation

« »

Trois paramètres techniques délimitent l'évaluation d'une

pompe solaire : « 

*la quantité d'eau requise par jour,

*la disponibilité de l'eau

*la ressource solaire.


2.1-Estimation des besoins en eau


- Le Débit(Q)
Le débit (Q) = Quantité d'eau que la pompe peut fournir

durant un intervalle de temps donné.

En pompage solaire Q est exprimé en M3/J

-Besoins en eau : m3/J
Humains Besoins en eau




Tête Habitant 10 à 50l /j

Animaux




Bœuf 40 l/jour

Mouton, chèvre 5 l/jour

Cheval 40 l/jour

Âne 20 l/jour

Chameau 20 l/jour

(réserve de 8 jours)

Irrigation




Cultures à l'échelle du village 60 m³/jour/ha

Riz 100 m³/jour/ha

Graines 45 m³/jour/ha

Canne à sucre 65 m³/jour/ha

Coton 55 m³/jour/ha



-Normes pour le calcul des besoins en eau:
-la norme relative à la quantité minimale pour la survie;

- Norme Organismes de financement: 20 l/jour /personne (bétail et maraîchage non inclus);

-Norme Développement Economique :50 l/j /personne, incluant:

  • 20 l/jour/personne : pour les besoins personnels,

  • 20 l/jour/personne : 0,5 tête de bétail par personne,

  • 10 l/jour/personne : 2 m² de maraîchage par personne.


-Disponibilité de l'eau

-Connaissance du point d’eau

-Capacité de production d’eau (facteur limitant)

-Détermination disponibilité de l’eau (mesurer diamètre du puits ou du forage, mesure niveau statique et le niveau dynamique (Essai de débit). Mesure la qualité de l'eau )


2.2-Hauteur manométrique totale (HMT)
HMT d'une pompe = Différence de pression en mètres de

colonne d'eau entre les orifices

d'aspiration et de refoulement.
*Calcul HMT:



HMT = Hg + Pc





Hg = hauteur géométrique entre la nappe d'eau pompée (niveau

dynamique) et le plan d'utilisation (Hr + Nd).

Pc = pertes de charge produites par le frottement de l'eau sur les parois de

conduites. Ces pertes sont en fonction de la distance des conduites (D), de

leur diamètre (dc) et du débit de la pompe (Q) et s'expriment en mètres

d'eau .
-Niveau statique(Ns)

Ns d'un puits ou d'un forage = la distance du sol à la

surface de l'eau avant

pompage.
-Niveau dynamique(Nd)

Nd d'un puits ou d'un forage = 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 = Différence entre le

niveau dynamique (Nd)

et le niveau statique(Ns)

( Rm est le rabattement maximal acceptable avant de stopper la pompe)


Figure 13

Données de base d'une pompe




3-Dimensionnement

3.1 Estimation des données de base
Trois facteurs importants à déterminer soigneusement :

- Déterminer les besoins en eau, (Q :m3/j)

. Déterminer les besoins journaliers en eau durant

période de besoins maximal. (le forage doit

être capable de remplir ces conditions d'exploitation;)
-Déterminer la HMT

.Mesurer le niveau statique, le rabattement maximal, la

hauteur du réservoir et les pertes de charge dues à la

tuyauterie
-Déterminer le rayonnement optimum

.Recueillir les données sur l'ensoleillement mensuel moyen

selon différentes inclinaisons du champ.

.Recueillir les données sur les moyennes mensuelles de

température ambiante.
3.2-Calcul des paramètres électriques
Trois paramètres essentiels à déterminer :

-Déterminer les paramètres du système

.Rendement du groupe motopompe choisi

.Arrêter la configuration du système (type de pompe,

moteur, etc..).
-Déterminer l'énergie électrique requise

L'énergie électrique (Eelec.) nécessaire pour soulever une certaine quantité d’eau (Q) sur une certaine hauteur H pendant une journée est calculée à partir des données de débit et de la HMT requises et est exprimée en watt-heure. Ce calcul est fonction d'une constante hydraulique (Ch) et est inversement proportionnel au rendement du groupe motopompe utilisé.
Constante hydraulique x débit journalier x HMT

Eelec =

Rendement du Groupe Motopompe





CH .Q (m³/j) . HMT (m)

Eelec =

Rmp


Eelec. est habituellement exprimée en kwh
9,81(m.s²) . 10³(kg/m³) 2,725 kg.s.h

CH = g . ∂ = =

3600 (s/h) m²




g = constante de la gravité (9,81 m / s²)

∂ = densité de l'eau (1000 kg/ m³)

Rp = rendement des groupes motopompe évalué 30% à

45%, selon le type de pompe et de moteur.
-Déterminer la Puissance du G.S nécessaire :

La puissance (P) d’un générateur solaire photovoltaïque nécessaire pour produire une certaine quantité d’eau (Q) par un groupe Moto-pompe d’un rendement donné sur une certaine hauteur H sous un rayonnement solaire minimum donné est calculée comme suit :

Energie électrique (Eelec)

P.G.solaire=

(w ou Kw) Ensoleillement moyen*(1-Pertes électriques*)
(*) : généralement de l’ordre de 20%




Etude de cas 



Projet : Alimentation d’un village aux environs Marrakech





-Nature de l’ouvrage :

*Puits circulaire,

*Débit d’exploitation 3l/s

-Données générales :

*50 familles ( 500 habitants)

*300 têtes de cheptel ( Ovins)

*100 têtes gros bétail

-Données infrastructure hydraulique

*Profondeur totale : 30m

*Niveau statique : 15m

*Niveau dynamique : 20m

*Hauteur réservoir : 5m

*Dénivelé : 2m
-Calcul du besoin en eau (Q )
- Eau domestique

Famille Nb / Fam litres / pers. Total (m³/j)

50 10 20 10

- Bétail

Type Tête litres / tête Total (m³/j)

Ovins 300 20 6

G.Betail 100 30 3

- Maraîchage

Type Surface m³/j / hect. Total (m³/j)

0 0 0

Besoin Total quotidien 19m3/J

-Détermination de la HMT




Niv. Statique Niv.Dynam. Rabatt. H.Réserv. Dénivelé

12m 24m 12 m 3 m 2m
HMT = Nd + Hr + Dénivelé+(1-Pc)

= 24 + 3 + 2 + 0.9 = 30m

-Détermination de l’énergie électrique (Eelec).

Q/J HMT Rmp

19m3/j 30m 0.45

2,725 . Q (m³/j) . HMT (m)

Eelec = = 3451 Wh

Rp

(Charge moyenne quotidienne = 3451 watt-heures).
-Calcul rayonnement de référence :

Temp Ensol Horiz. Ensol. lat.+0° Heure max.




Mois °C kwh/m² kwh/m² Heures
Janvier 24.7 3.45 5.09 5.09

Févier 27.9 4.19 5.44 5.44

Mars 31.0 5.16 5.84 5.8’4

Avril 32.3 5.98 5.96 5.96

Mai 31.4 6.67 6.10 6.10

Juin 28.9 7.34 6.45 6.45

Juillet 27.2 7.58 6.76 6.76

Août 26.2 7.01 6.72 6.72

Septembre 26.7 5.90 6.35 6.35

Octobre 28.9 4.62 5.73 5.73

Novembre 27.8 3.58 5.08 5.08

Décembre 25.6 3.19 4.75 4.75




Moyenne : 5.39 5.85 5.85
-Choix inclinaison optimale
Inclinaison donnant la plus grande moyenne annuelle

Cas de notre étude Latitude +10°
-Détermination période de référence
le nombre moyen d'heures de soleil maximal le plus faible pour cette inclinaison : dans notre cas décembre = 4.5h

-Calcul de la puissance du G.S
En supposant des pertes de 20 % attribuables à la température et à la poussière, la dimension théorique de celui - ci sera de:
E elec


Wc =

Ensoleil Réf.* (1 - pertes)
= 3451 / 4.75 x 0.8 = 908 W

-Récapitulatif
-le point de fonctionnement du champ serait autour de 105 volts à cause des caractéristiques de l'onduleur,

-le champ sera composé de multiples de 7 modules en série (Vm se situant à

15 Volts pour la plupart des modules à 60°C).

-La puissance du générateur étant de 908 Wc, Im sera donc d'environ 9.08 A

Le choix du type de module déterminera le nombre de modules en parallèle. (Par exemple, un module d’une intensité maximale d’environ 3 A ou une puissance de l’ordre de 45 Wc :
Donc  un générateur solaire de 3  rangées en parallèle chacune de 7 modules en série )

Eelec. Ensol. Pertes P ;champ Tension Intensité Config




Wh Heures % Wc V I S x P
3451 4.75 20 908 100 9.08 7 x 3




Correction

Le champ aura donc une puissance de 945 Wc et sera composé de 7 modules de 45 Wc chacun .

-Points importants à considérer lors du choix d’une pompe solaire


  • Prévoir installation interrupteur niveau d’eau (protection fonctionnement a sec du GMP)

  • Nécessité d’effectuer des essais de débit

  • Opter pour des moteurs CA

  • Suivre le fonctionnement du système (débit moyen , taux de couverture , rendement système

  • Formation et sensibilisation utilisateurs



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