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CENTRE DE DEVELOPPEMENT DES
ENERGIES RENOUVELABLES
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LE POMPAGE SOLAIRE PHOTOVOLTAlQUE Manuel de cours
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ceV\-tre c\e DéveLoppeV'AeV\-t c\es 5V\-ergLes ReV\-ouveLClbLes. (CD5R.) -DLrecHoV\- c!es opérClHoV\-s
QUClrtLer IssLL, R.ue.5~L MtcnCwr AL nClrClV'A ,r;p.503/MClrrClk:.ecn-c:;ueLLz
Tél.: 00 21.:2 044 303S i4/:2:2 - FClx. :0021.:2 303735- 5v,uûL.
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Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
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...:. ."....",." ............". . . . .' -....'.-...... ·-cc:~=:---·__c._.........._.,....--_ ... - ....--_
] CHAPITRE 1
]
Composants d'une pompe solaire photovoltaïque
]
] ]
J ]
. l-Architecture d'un système PS :
1
Générateur
solaire photovoltaïquE
~
Armoire de commande et de ··contrôle
~
Groupe moto-pompe
]
] ]
-,J
2-Types de systèmes PS :
* Pompage avec stoc~age (stocl:?age électrique) * Pompage au fil du soleil (stocl:?age de l'eau) ", Avantages:
-Inconvénient:
]
.]
J ].
[J
[J r] I
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-Modularité -Fiabilité technique -Bonne acceptabilité sociale
-Faible rendement Global -Accessoires électronique .-, -Coût 'initial
]
Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de èours
] fig.! Caractéristiques du débit pour le pompage au fil du soleil et avec batterie
]
.]
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3-Le Générateur solaire(Gs) :
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[J
[J
• Ensemble de modules solaires PV al Si Mono cristallin, Poly ou mono • Fixe ou avec suiveur( Trackers) " Modulaire (en fonction de localité, HMT et besoins en eau)
4-Coffret de commande et de Contrôle:
1]
1]
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.il peut comprendre selon les cas: . • Un simple interrupteur œ Un adaptateur d'impédance • Un onduleur
• Une carte électronique de commande
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, S-Le Groupe moto-pompe(GMP) ;1.···. .
~
5,,1- les types de pompes
Transmission de l'énergie cinétique du moteur en mouvement de va-et-vient
• Pompe
volumétrique:
• Pompe èentrifuge. • Pompe à aspiration ., Pompe à refoulemento Figure.2
Pompe à piston OaeR pump) :
Pour de grandes profondeurs et de' petits débit d'eau
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Lé Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
figure 3
Caractéristiques d'une pompe volumétriqu
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-La pompe centrifuge
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~ CD ®
Pompe centrifuge :transmission énergie cinétique du moteur au fluide par un mouv ement de rotation de roues à aubes ou d'ailettes. pompes sub-mersibles avec moteur de surfa{e pompes submergé,
pompes flottantes pompes rotatives à aspiration.
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_L_eP_o_m_PO_ge_S_olo_ir_eP_h_ot_ov_olt_a'_iqu_e_-M_an_u_el_de_c_ou_rs~-=-=~'~~=.=:.= . ==::::==========================~:::-_=_::;.--=;:: .. =:...=====~
Figure 4
Cheminement de l'écoulement dans une pompe centrifuge à étages multiples
J,cirnissi (lIl
.-Caractéristiques des pompes centrifuges Conception pour des HMT relativement fixes.
@
. ( 30 à+100m)
à la vitesse de rotation du moteur. Rendement hydraulique 45 à 60% Durée de vie 5 à 7ans Faible entretien et maintenance
e Débit proportionnel ®. (1)
~
Lubrification assurée par l'eau pompée. ~ Nombre d'étages lié à la HMT (& Usage pour .l'irrigation de petits maraîchages (faible HMT)
G
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Le Pompage Solaire Photovoltdique-Manuel de cours
Figure 5
Pompe submersible centrifuge à étages multiples
Co f't 0it.'Ûnnr;.ur clr.fr'l~t9it:
Champ Ft,!
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Note-5 ~ Ct:ttt: pompe est u~lisée p~lJS (ouramrntnt pOlJllle;.JliJlJr~ de l'e,~,) :;'1,!;;m~,s~~qIJe, te mottut ùt j~1 P0~'Îlpt ~(in~t1'tHt!.nt (hM 1& p~l(~ Olt 18 b~tl9t;!( à l"i)t,é de {,{)~pS. pc~tentids,.
Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
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Figure 6
Caractéristiques d'une pompe centrifuge
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figure 7 Pompe centrifuge flottante
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, Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
-Comparaisons entre les pompes centrifuges et les pompes volumétriques Figure 8
Choix d'une pompe selon la HMT et le débit demandés
(tirée de Sa/Gr Pumping de /T Power)
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Figure 9 Exemples de courbes débit - HMT pour quelques pompes
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Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
5-2-Les types de Moteurs « Moteur d'un GMP :conversion l'énergie électrique en .;
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energle mecanlque.
«
- 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 o nécessité d'usage d'un onduleur( conversion C.C du Gs
G
en CA)
-1
•.1
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6)
moteurs alternatifs asynchrones sont les plus couramment employés
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_L_ep_o_m_po_ge_S_olo_ir_e
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5-3-L 'onduleur (moteur alternatif)
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-Fonctions de Ponduleur :
i
• 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 IMPPT, maximum power point . tracking - tension track -). e Gérer et protéger : l'installation (Protection: surchauffe.. .' surcharge.. 50US- 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..)
1
@
-Caractéristiq ues
.. Durée de vie moyenne de 7 ans
• Fréquence (f) variable o Tension nominale CA peut être standard (1,80 V cas PS).
(220
ou 380
-Types Onduleurs • Onduleur à onde sinusoïdale modifiée, en marche 1
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1 1
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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 % - 95 % de.
Onduleur à onde sinusoïdale.
1
. le Pompage Solaire Photovolta'ique-Manuel de cours
Figure Il Courbe d'ondes de sortie d'un onduleur de pompage
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7~Rendement du Groupe
MP -Générateur PV
• Rendement d'un moteur CC série est de 80 à 85°10 • Rendement d'un moteurAC asynchrone «« 80 °10, G Rendement hydraulique des P.solaires 45 à 60 °10, • Tenir compte de la variation de la HMT
t
l:
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Figure 12 Rendement instantané d'une pompe centrifuge immergée en fonction de la
HMT
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1
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j
HMi norTI~nale
HMY
,
,
Etude comparative d'uneERD par centrale PV, GE et Kits individuels
Pour l'alternateur: ~
type GT4S -8 (synchrone) (ou similaire) :> puissance 10 KVA :> tension 230 V / 240 V :> intensité 14.4/ 25 A :> phase: 3 :> fréquence: 50 Hz ~ facteur de puissance 0.8 :> tabFèau de commande comporte :voltmètre, ampèremètre et contacteur.
Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
CHAPITRE 2 Dimensionnement d'une pompe solaire photovoltaïque
l-Données de basè tl- Débit(Q) ,L@ débit (0) ~,
'
= quantité
d'eau que la pompe peut fournir durant un intervalle qe temps donné. En pompage solaire 0 es exprimé enen M3/J
1.2-Hauteur manométrique totale (HMT)
-.,-
,HM' ,d'une pompe = Différence de pression en mètres de colonne d'eau entre les orifices d'aspiration et de refoulement. ~:
Calcul
1
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H~.r1T:
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HMT= Hg + Pc
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Où 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 des conduites. Ces pertes sont en fonction de la distance des conduites (D), de leur diamètre (de) et du débit de ,la pompe (Q) et s'expriment en mètres d'eau. .
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Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
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1.3-Niveau statique(Ns) Ns d'un puits ou d'un forage
= l a distance du sol à la surface de l'eau avant pompage.
'1.4-Niveau dynamjque(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.
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u\(o'
(Pour le calcul de la HMT, le niveau- dynamique est calculé pour ùn débit moyen.) ,
1.S-Rabattement (Rm)
,'" Rm d'un puits ou d'un forage = différence entre le niveau '"'""""'l,' ,
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.
dynamique (Nd) et le niveau statique(Ns) •
( Rm est le rabattement maximal acceptable avant de stopper la pompe)
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Figure 13
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Données de base d'une pompe
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'. 2-Calcul de l'énergie quotidienne requise
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. L'énergienécessaire pour soulever une certaine quantité d'eau' (0) 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.
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Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
.
2a2-Energie requise pour la pompe: Constante hydraulique x le débit journalier x la HMT
Eeiec
= Rendement du Groupe Motopompe
::--CH.O (m 3 /j) . HMT (m) Eelec = - - - - - - -
ou.... Eelec. est habituellement exprimée en ~wh 9,81(m.s2 ) ~ 103(~g/m3)
CH = 9 ID d =
2,725 ~g@s$h =
3600 (s/h) ....
.. ~,
:
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ou 9
=
d
=
Rp =
constante de la gravité (9,81 m 152)
densité de J'eau (1000 RgJ m 3 )
rendement des groupes motopompe évalué 30% à
45%, selon le type de pompe et de moteur.
....
·3-Analyse des besoins et des conditions d'exploitation «»
""'.
u....
Trois paramètres techniques délimitent l'évaluation d'une pompe solaire: « 1. la quantité d'eau requise par jour, 2. la disponibilité de l'eau 3. la ressource solaire.
'Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
3.1-Estimation des besoins en eau Humains
Besoins en eau
Animaux Bœuf Mouton, chèvre Cheval Âne Chameau
401/jour 51/jour 401/jour 201/jour 20 I/jour (réserve de 8 jours)
Irrigation Cultures à l'échelle du village 60 m 3 /jour/ha 100 m 3 /jour/ha Riz' . Graines 45 m 3 /jour/ha
Canne à sucre 65 m 3 /jour/ha
55 m 3 /jour/ha
Coton .".
, Normes pour le calcul des besoins en eau: t -la norme relative à la quantité minimale pour la survie; 2. 'Nornle Organismes de financement: 20 t!jour /personne (bétail et maraîchage non inclus); 3. Norme Développement Economique :50 l/j /personne, incluant: - -20 l/jour/personne : pour les besoins personnels, ,-20 I/jour/personne : 0,5 tête de bétail par personne, -10 l/jour/personne : 2 m 2 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 diamètredu
puits ou du forage/ mesure niveau statique et le niveau -dynamique (Essai de débit). Mesure la qualité de l'eau )
•
le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de éours
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;, " : ...;. ~
Dimensionnement du système photovoltaïque Trois facteurs importants à estimer soigneusement:
- Besoins en eau,
- Données d'ensoleillement
-Rendement du groupe motopompe choisi
Fiche de dimensionnement nOl - Estimation de la charge (Etude de cas: village aux environs Marral:?ech) -Choisir ou définir la charge, = Déterminer le débit requis et laHMT .*Débit : déterminer les besoins journaliers en eau durant période de besoins maximal. (le forage doit être capable de remplir ces conditions d'exploitation;) *HMT : mesurer le niveau statique, le rabattement maximal, la hauteur du réservoir et les pertes de charge dues à la tuyauterie. -Arrêter la configuration du système (type de pompe, moteur, etc..). -Choisir la tension nominale à la sortie du générateur (généralement imposée par l'onduleur)
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\~>.~~ ...
. Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
. Fiche de dimensionnement nOl- Exemple d'analyse de la charge Fiche de dimensionnement de la charge
débit
. Eau deme$tique Nb 1 Fetm
. Famille 50
litres / pers.
10
Total (m 3 ) 10
20
Bétail Type
litres / tête
Tête
...........
""""
Total (m 3 )
........
""""
........
"
Marai~hage
Type
m 3 ! hecto
Surface
............
Total (m 3 )
...... ..
".""
" "" "
Rabcdto
Ns(m) 12
Rs (m) 24
"
/
HMT Niv. .Statique
.......
Niv. Dynamo
Haut. Ré$er".
. 'li'uYGt!c
Pert..
Nd(m)
Hr (m)
Pc(%)
36
3
10%
HMT
(Nd + Hr) (1 + Pc) 42,9
Re'i:p: . 50 Familles
0=
à
1
M3!J
HMT: 43 M GMP CA(Rp=45%)
2,725 . 0 (m 3 /j) . HMT
Eelec=
Cm) = 2663
watt-heures
Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
:"Charge moyenne quotidienne = 2663 watt-heures. à 100volts (tension de fonctionnement nominale du moteur CA) , ceci éqivaut
à 266AH/J
Fiche de dimensionnement n02 - Définition des conditions du site . -Recueillir les donnée1 sur site. -Recueillir les donnée-s sur l'ensoleillement mensuel moyen selon .différentes inclinaisons du champ. . -Recueillir les données sur les .moyennes mensuelles de température ambiante.
Fiche de dimensionnement n02 - Exemple de définition des conditions du site ..Lieu: village AL f{aria/Marra~ech ':'Latitude : 30 ON -Longitude: 8 °0 i~Saisond'exploitation : toute l'année . -Température moyenne de fonctionnement: 25 - 35 oC.
1 .
Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
Fiche de dimensionnement n02 - Définition des conditions du site Temp Mois
Emoi ;Horiz. EmoI. lat.+O° Rwh/m 2
Heure max.
Rwh/m 2
Heures
"-
,J
Janvier Févier Mars· . Avril Mai Juin. Juillet Août Septembre Octobre Novembre· Décembre
24.7 27.9 31.0 32.3 31.4 28.9 27.2 26.2 26.7 28.9 27.8 25.6
Moyenne: .
3.2l5 4.19 5.16 5.98 6.67 7.34 7.58 7.01 5.90 4.62 3.58 3.19 5.39
5.09 5.44 5.84 5.96 6.10 6.45 6.76 6.72 6.35 5.73 5.08 4.75
5.09
5.44
5.8'4
5.96
6.10
6.45
6.76
6.72
6.35
5.73
5.08
4.75
5.85
5.85
Choisir le mois: où l'ensoleillement maximal est le plus faible et les besoins en eau sont au maximum. Ensoleillement = 4.9 heures ou 4.9 Kwh/m 2
Fiche de dimensionnement n03 - Dimensionnement du champ •. Choisir l'inclinaison du champ •. Estimer l'ensoleillement minimal pendant la période de fonctionnement. • Déterminer l'efficacité approximative du champ.
et Estimer la capacité, en watts - crête, que doit avoir le champ.
e Déterminer la configuration du champ, réajuster selon les spécifications des
modules.
Fiche
de
dimensionnement dim~nsionnement du champ
nO
Determination inclinaison, optimale:
3
Exemple
de
..~
. ...... '
.. .. -:.: ~. ,: : ... .'
.
..............:.........
'.:.:
:.': ~:.'.'
• '.. '._" : ,": ....;"~':,:.' ... r" '
Le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours 1
'. (inclinaison donnant la plus grande moyenne annuelle, voir annexe) . Cas de notre étude Alpha= 30° J
,
;J . .
~.
Determination periode de réference le nombre moyen d'heures de soleil maximal est le faible pour cette inclinaison, dans notre cas; Decembre avec 4.75 .... Calcul de la puissance crêtè En supposant des pertes de 20 % attribuables à la température et à la poussière, la dimension théorique de celui - ci sera de: E elec
= 2663 14.75 x 0.8
Wc=
= 448
Wc
Ensoleil . (1 - pertes)
1:"'"
Recap/ ....
-'.
.J'
i_
le point de fonctionnement du champ serait autour de 100 volts à cause des caractéristiques de l'ondLJleur, le champ sera composé de multiples de 7 modules en série (Vm se situant à 14.3 Volts pour la plupart des modules à 60 0 C). La puissance du générateur étant de 448 Wc, lm sera donc d'environ 4.48. Le choix du type de module déterminera le nombre de modules en parallèle. (Par exemple, il faudra un module d'une intensité maximale d'environ 4.48 A , ou une puissance de l'ordre de' 65Wc , et .une rangée de 7 modules en série )
Fiche de dimensionnement nO 3 - Dimensionnement du champ et des éléments de conditionnement de l'électricité Eelec.
EmoI.
Wh
Heures
2663
4.75
Pertes %
20
P ;champ Tension Wc 448
Intensité
V 100
Config 5xP
4.48
7 xl
Le champ aura donc une puissance de 455 Wc et sera composé de 7 modules de 65 Wc chacun.
le Pompage Solaire Photovoltaïque-Manuel de cours
:poi l1ts.importants·à considérer lors du choix
d'one pompe solaire
Prevoir installation interrupteur niveau fonctionnement a sec du GMP) - necessité d'effectuer des essais de débit - opter pour dees moteurs CA
d'eau
(protection
1
1~
