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Les pompe solaires : Dimensionnement d'une station de pompage en zone maraîcher

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par Sy M. Mansour Niang & Souleymane Diop
Institut Superieur de Technologie Industrielle - DIT Electrotechnique- Electromécanique-Froid et Climatisation 2008
  

sommaire suivant

INTRODUCTION

De nos jours, l'utilisation des énergies fossiles devient de plus en plus une énigme aux décideurs politiques surtout en Afrique ou bon nombre de sociétés électriques dépendent de l'exploitation du pétrole. De plus en plus a la nécessité d'assurer une continuité de service, de maîtriser l'énergie. Parmi cette alternative aux énergies fossiles, l'énergie solaire photovoltaïque demeure la solution idéale pour les contrées isolées ou en développement.

En effet dans les pays en voie de développement, la demande en eau est très forte avec parallèlement en une disponibilité en rayonnement solaire tout aussi impressionnante. Le pompage solaire est ainsi une alternative optimale.

PREMIERE PARTIE:

I.1 LES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES

1.1.1 Historique :

La conversion de la lumière en electricite, appelé effet photovoltaïque, a été découverte par E. Becquerel en 1839, mais il faudra attendre près d'un siècle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce phénomène de la physique.

L'utilisation des cellules solaires dans les années quarante dans le domaine spatial. Les recherches d'après guerre ont permis d'améliorer leurs performances et leur taille mais il faudra attendre la crise énergétique des années septante pour que les gouvernements et les industriels investissent dans la technologie photovoltaïque et ses applications terrestres.

Quelques dates importantes dans l'histoire du photovoltaïque :

1839 : Le physicien français Edmond Becquerel découvre l'effet photovoltaïque.

1875 : Werner Von Siemens expose devant l'Académie des Sciences de Berlin un article sur l'effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Mais jusqu'à la Seconde Guerre Mondiale, le phénomène reste encore une curiosité de laboratoire.

1954 : Trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et Prince, mettent au point une cellule photovoltaïque à haut rendement au moment où l'industrie spatiale naissante cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites.

1958 : Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point. Les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l'espace.

1973 : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l'Université de Delaware.

1983 : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4000 km en Australie

1.1.2 Principe de fonctionnement :

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque).

La structure la plus simple d'une cellule photovoltaïque comporte une jonction entre deux zones dopées différemment d'un même matériau (homojonction p-n) où entre deux matériaux différents (hétérostructures), la moins épaisse étant soumise au flux lumineux. Chacune des régions est relié a une électrode métallique au moyen d'un contact ohmique de faible résistance. Le principe de fonctionnement peut être décomposé en deux parties : l'absorption des photons et la collecte des porteurs de charges crées.

La premier étape de la conversion de la lumière en courant électrique est la génération au sein du semi-conducteur des porteurs de charges que sont les électrons libres et les trous.

La production d'électricité est proportionnelle à la surface des modules photovoltaïques exposés au soleil et à l'intensité lumineuse. Dépendante des conditions météorologiques, la production est donc aléatoire. L'énergie peut être utilisé en direct (cas des pompes solaires) ou stockée dans des batteries pour une utilisation ultérieure.

1.1.3 Constitution :

Les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteurs à base de silicium (Si), de sulfure de cadmium (CdS) ou de tellurure de cadmium (CdTe). Elles se présentent sous la forme de deux fines plaques en contact étroit. Un autre nom est « photo-galvanique ».
Ce semi-conducteur est pris en sandwich entre deux électrodes métalliques et le tout est protégé par une vitre

Le silicium est le plus utilisé pour réaliser les cellules solaires photovoltaïques pour ses propriétés électroniques. Le schéma ci-dessous montre l'illustration d'une cellule photovoltaique.

Figure 1.1 Principe d'une cellule photovoltaïque

1.1.4 Le générateur photovoltaïque :

Un générateur photovoltaïque est constitué de modules, d'un générateur de charge-decharge et d'une batterie d'accumulateur. Il produit du courant continu qui peut être converti si nécessaire en courant alternatif à l'aide d'un onduleur.

Généralement, un système solaire photovoltaïque comprend une batterie d'accumulateurs stocke l'énergie électrique produite pour pouvoir la restituer à tout moment, un régulateur de charge-décharge protège la batterie contre les surcharges et décharges profondes, un convertisseur d'énergie et enfin les récepteurs ou applications.

1.1.4.1 Le champ photovoltaïque :

Un ou plusieurs modules photovoltaïques forment le champ photovoltaïque. Ils transforment l'énergie des rayons lumineux en énergie électrique. La durée de vie des modules solaires photovoltaïques est estimée à 20 ans.

L'emplacement du champ photovoltaïque devra respecter les contraintes suivantes :

· Exposition au rayonnement solaire toute la journée en toute saison

· Orientation et inclinaison : les modules doivent être orientés au sud dans l'hémisphère Nord et au nord dans l'hémisphère Sud

· Accès facile pour le nettoyage

· Proximité avec la régulation, le stockage et les récepteurs

· Fixations solides pour résister aux vents : les modules sont généralement fixés soit au sol, soit en toiture, soit en façade.

1.1.4.2 Les batteries :

Les batteries servent de zone tampon entre production et consommation d'énergie (utilisation). Leur capacité doit être suffisamment grande pour faire face à tous les aléas de la production et de la consommation.

Lorsque le réservoir d'énergie est plein toute quantité d'énergie supplémentaire entraînera le bouillonnement de l'électrolyte :

· Le niveau dans la batterie baisse, et celle-ci peut être gravement endommagé

· Les gaz produits peuvent exploser avec une flamme ou une étincelle

· Le surplus d'énergie risque de détériorer les plaques en plomb en arrachant la matière active.

1.1.4.3 Le régulateur :

Le régulateur contrôle l'état du réservoir d'énergie pour protéger la batterie. Son rôle est de stopper :

· La charge de la batterie lorsque celle-ci est chargée pour éviter le bouillonnement de l'électrolyte,

· Le prélèvement d'énergie sur la batterie lorsqu'elle est trop chargée.

1.1.4.4 Le convertisseur :

Le convertisseur permet de convertir le courant continu en courant alternatif pour alimenter les utilisations qui fonctionnent avec ce type de courant.

1.1.4.5 Les récepteurs :

L'énergie produite alimente un ou plusieurs appareils de consommation (éclairage, réfrigération, pompage ...).

Ci-dessous, on montre quelques exemples de schéma d'installation

Système solaire de 50 watts-crêtes (destiné à l'électrification d'une habitation familiale)

Figure 1.2 Exemple d'installations de cellule PV

Figure 1.3 Exemple d'applications de cellule PV d'un dispositif de pompage hydraulique

1.1.5 Les caractéristiques d'une cellule PV

La courbe caractéristique d'une cellule PV représente la variation du courant qu'elle produit en fonction de la tension aux bornes de la cellule PV depuis le court-circuit (tension nulle correspondant au courant maximum produit) jusqu'au circuit ouvert (courant nul pour une tension maximale aux bornes de la cellule).

Cette courbe est établie dans des conditions ambiantes de fonctionnement données (répartition du rayonnement donnée, rayonnement donné, cellule PV à une température donnée, air ambiant circulant à une vitesse donnée). En effet, le fonctionnement des cellules photovoltaïques dépend des conditions d'ensoleillement et de température à la surface de la cellule. Ainsi, chaque courbe courant-tension correspond à des conditions spécifiques de fonctionnement. Si par exemple la température de la surface évolue, la courbe n'est plus la même.

Figure 1.4 - Caractéristiques I = f(V) d'une cellule PV au silicium

1.1.5.1 Tension de circuit ouvert VCO (pour ICO = 0) :

Elle est fonction des caractéristiques de la jonction électronique et des matériaux. Pour une cellule donnée, elle ne varie presque pas avec l'intensité lumineuse, au moins pour des éclairements supérieurs à 100 W / m2 (ce qui correspond au rayonnement solaire sur terre d'une journée très couverte). On l'obtient en branchant directement un voltmètre aux bornes de la cellule.

1.1.5.2 Courant de court-circuit ICC (pour VCC = 0) :

Il est directement proportionnel à l'énergie rayonnante reçue, c'est-à-dire à l'éclairement G (W / m²), à la température ambiante, à la vitesse de circulation de l'air ambiant. Il est également directement fonction de la surface de la cellule. On obtient sa valeur en branchant un ampèremètre aux bornes de la cellule.

Figure 1.5 Courbe caractéristique I = f (V) d'une cellule

La détermination des coefficients de la courbe caractéristique I = f (V) d'une cellule, d'un panneau PV :

Les caractéristiques ci-dessus et leurs variations peuvent être représentées par des équations. Ces dernières permettent de connaître à partir des courbes les points caractéristiques de fonctionnement des modules PV (courant de court-circuit, tension de circuit ouvert, courant pour une tension donnée, tension pour un courant donné.). La difficulté réside dans le fait que ces équations sont implicites et donc difficilement utilisables et solvables si ce n'est par des méthodes détournées.

Afin de mieux comprendre et étudier le fonctionnement d'une cellule PV, on raisonne par analogie électrique. Le schéma équivalent d'une cellule photovoltaïque est le suivant :

 
 

Figure I.6 - Schéma électrique équivalent d'une cellule PV

Les notations pour ce schéma et pour les équations sont les suivantes :

Tableau I.1 Identification des éléments d'une cellule solaire photovoltaïque

Symbole

Définition

Unité

Valeur

RS

Résistance série

Ohm ( )

-

RSh

Résistance de shunt

Ohm ( )

-

I1

Courant d'éclairement ou photoélectrique

Ampère (A)

-

I0

Courant d'obscurité ou saturation de diode

Ampère (A)

-

IC

Courant de sortie

Ampère (A)

-

VC

Tension de sortie

Volt (V)

-

A

Coefficient d'idéalité de la diode

Sans dimension

1<A<5

TC

Température absolue de la cellule

Kelvin (K)

-

Ta

Température ambiante

Kelvin (K)

-

E

Charge de l'électron

Coulomb (C)

1,6 . 10-12

K

Constante de Boltzmann

J / K

1,38

G*

Flux solaire incident ou éclairement

W / m²

-

hW

Coefficient d'échange par convection

avec le milieu ambiant

W / m² . °C

25

K

Résistance thermique (inverse du coefficient d'échange : 1 / hW) dépendant de l'inclinaison

et de la distance au sol de la cellule

°C . m² / W

cf. § 2.6.2)

La variation du courant en fonction de la tension Vc pour un éclairement donné G (en W / m²), une température de cellule Tc et une vitesse de circulation de l'air ambiant d'air (en m / s) autour de la cellule est représentée par l'équation suivante :

                (I.1)

(I.2)

(I.3)

L'équation devient alors, en exprimant Vc en fonction de Ic :

            (I.4)

    (I.5)

1.1.5.3 La puissance caractéristique d'une cellule PV :

Dans des conditions ambiantes de fonctionnement fixes (éclairement, température, vitesse de circulation de l'air ambiant, etc..), la puissance électrique P (W) disponible aux bornes d'une cellule PV est égale au produit du courant continu fourni I par une tension continue donnée V :

P = V. I          (I.6)

P (W), Watt : Puissance mesurée aux bornes de la cellule PV.

U (V), Volt : Tension mesurée aux bornes de la cellule PV.

I (A), Ampère : Intensité mesurée aux bornes de la cellule PV.

La puissance max :

Pour une cellule solaire idéale, la puissance maximum Pmax idéale correspondrait donc à la tension de circuit ouvert VCO multipliée par le courant de court-circuit ICC (c'est-à-dire à la surface du rectangle OABC) :

P max idéale = VCO.  ICC           (I.7)

Pmax idéale (W), Watt : Puissance mesurée aux bornes de la cellule PV.

VCO (V), Volt : Tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de la cellule PV.

ICC (A), Ampère : Intensité de court-circuit mesurée aux bornes de la cellule PV.

1.1.5.4 Le facteur de forme :

On appelle facteur de forme f le rapport entre la puissance maximum fournie par la cellule Pmax , dans des conditions d'éclairement, de température et de vitesse de circulation de l'air ambiant donnés, et le produit du courant de court-circuit ICC par la tension de circuit ouvert VCO (c'est à dire la puissance maximale d'une cellule idéale) :

F.F. = Pmax / (VC0 .  ICC)              (I.8)

(I.9)

F.F. : Facteur de forme

Pmax (W) Watt : Puissance maximale aux bornes de la cellule PV.

VCO (V) Volt : Tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de la cellule PV.

ICC (A) Ampère : Intensité de court-circuit mesurée aux bornes de la cellule PV.

Le facteur de forme f est de l'ordre de 70 % pour une cellule de fabrication industrielle.

Figure 1.7 - Courbes de puissances en fonction de la tension aux bornes de la cellule PV

Par extension et par facilité, les professionnels caractérisent un module PV simplement par :

· La puissance nominale aux conditions de fonctionnement standard (STC); Pnominale = Pmax (W) Watt,

· La tension nominale du module PV (en général 12, 24, 48 Vcc; Vnominale (V) Volt).

1.1.5.5 Le module photovoltaïque :

Afin d'augmenter la tension d'utilisation, les cellules PV sont connectés en série. La tension nominale du module est habituellement adaptée à la charge de 12 volts et les modules auront donc généralement 36 cellules. De plus la fragilité des cellules au bris et à la corrosion exige une protection envers leur environnement et celles-ci sont généralement encapsulées sous verre ou sous composé plastique. Le tout est appelé un module photovoltaïque.

Les modules peuvent également être connectés en série et en parallèle afin d'augmenter la tension et l'intensité d'utilisation.

1.1.5.5.1 Association en série :

En additionnant des cellules ou des modules identiques en série, le courant de la branche reste la même mais la tension augmente proportionnellement au nombre de cellules (modules) en série.

Figure 1.8 : Cellules identiques en série

1.1.5.5.2 Association en parallèle :

En additionnant les modules identiques en parallèle, la tension de la branche est égale à la tension de chaque module et l'intensité augmente proportionnellement au nombre de modules en parallèle dans la branche.

Figure 1.9 : Cellules identiques en parallèle

Dans la plupart des cas de pompage d'eau, la solution dont le rapport coût-efficacité est le plus élevé, consiste à installer un réservoir de stockage entre la pompe et l'utilisation.

Dans certains cas le champ lui même peut faire office d'un réservoir de stockage. Une autre méthode principale de stockage de l'énergie à petite échelle consiste à utiliser des accumulateurs au plomb. Mais cette solution est coûteuse à mois qu'on veuille stocker de faibles quantités d'énergie ne dépassant 1 à 2 kwh. Le coût des réservoirs de stockage d'eau est proportionnel à leur volume, tandis que celui des batteries (accumulateurs) est fonction de leur capacité énergétique exprimée en ampères-heures.

1.2 LES POMPES HYDRAULIQUES :

1.2.1 Généralités :

Le principe de la pompe est apparu dès que l'homme a su construire un habitat artificiel pour se protéger des éléments naturels. Le besoin en eau nécessaire à sa survie l'obligea à trouver un système de transport de cette eau, du puits ou de la rivière à son habitat. Il faudra attendre la fin du XVIIIe siècle pour que les premières pompes soient réellement construites et utilisées de façon industrielle.

1.2.2 Fonctionnement et constitution :

Les pompes permettent de déplacer un liquide d'un point à un autre. Pour déplacer ce liquide il faut lui communiquer de l'énergie. Les pompes remplissent cette fonction. Le moteur qui alimente les pompes transforme l'énergie thermique ou électrique en énergie mécanique pour permettre le mouvement des organes des pompes. Cette énergie mécanique est retransmise au fluide. Cette énergie fluide se traduit sous forme de débit ( énergie cinétique) et de pression ( énergie potentielle). Ces énergies vont s'échanger et se consommer dans les circuits de l'installation.

Ils sont constitués de : partie moteur, de la transmission et de la partie hydraulique.

1.2.2.1 Partie moteur :

Le moteur d'un groupe motopompe convertit l'énergie électrique en énergie mécanique. Il peut être à courant continu ou alternatif. Elle fournit la puissance nécessaire au pompage.

1.2.2.2 Transmission :

Elle transmet la puissance générée par le moteur à la partie hydraulique.

Il y a plusieurs façons de transmettre l'énergie fournie par une machine motrice à la pompe. La méthode plus courante consiste à utiliser un accouplement mécanique rotatif (arbres, corroies ou engrenages) ou alternatif (bielles de pompe ou leviers).

La puissance transmise peut être définie comme le produit d'une force par une vitesse.

1.2.2.2.1 Transmission mécanique :

Un système de transmission mécanique est pour la plupart du temps utilisé par l'accouplement d'un moteur thermique ou électrique à une pompe. En règle générale, les machines motrices de ce genre sont associées à des pompes centrifuges ou rotors dynamiques qui ont la même vitesse de rotation que le moteur.

La méthode de transmission de la puissance mécanique à n'importe, quelle distance consiste à utiliser un arbre tournant à grande vitesse. Il faut alors maintenir le bon alignement de l'arbre par des paliers de faible équidistance pour éviter le flambage qui pourrait provoquer des vibrations intenses et la destruction de la pièce.

1.2.2.2.1 Transmission électrique :

L'emploi d'un groupe moteur, diesel (ou d'une génératrice à éolienne ou à pile solaire électrique ou hydroélectrique) comme force motrice, garantit une souplesse de transmission (au sens propre) considérable. En effet, il suffit alors d'avoir un câble électrique pour relier la force motrice au groupe motopompe.

Parmi les autres options qui sont techniquement réalisables, mais rarement utilisées, on peut citer les transmissions hydrauliques ou pneumatiques qui agissent par le pompage d'un liquide (de l'eau, de l'huile) ou de l'air dans les canalisations afin de mettre en marche la pompe.

1.2.2.3 Partie hydraulique :

La partie hydraulique, elle aussi, cette puissance transmise à l'eau pour le déplacer (aspiration et refoulement). On distingue plusieurs technologies pour transférer l'eau : on note les pompes à palettes, à axes brisés, à vis, à engrenages, à pistons en ligne, delasco, à lobes, à membranes, à pistons axiaux et à pistons radiaux.

1.2.3 Classification :

Les pompes à eu sont habituellement classés selon leur principe fonctionnement. On peur classer les pompes de plusieurs façons :

§ Soit par les mouvements mécaniques

§ Soit par le mode de déplacement du fluide

§ Soit par le mode de fonctionnement

§ Soit par le domaine d'utilisation ...

Le critère de choix reste le domaine d'application qui est bien spécifique et qui tient compte de l'utilisation faite. Dans le corps de ce mémoire, nous nous limiterons seulement au mode d'utilisation et au fonctionnement.

1.2.3.1 Selon le mode de fonctionnement :

Ils sont de deux types : volumétrique ou centrifuge.

1.2.3.1.1 Les pompes centrifuges :

a) Principe de fonctionnement :

La pompe centrifuge transmet l'énergie cinétique du moteur au fluide par un mouvement de rotation de roues à aubes ou d'ailettes. L'eau entre au centre de la pompe et est poussé vers l'extérieur et vers le haut grâce à la force centrifuge des aubages. Le mouvement du liquide résulte de l'accroissement d'énergie qui lui est communiqué par la force centrifuge.

La pompe centrifuge est conçue pour une hauteur manométrique (HMT) relativement fixe. Le débit de cette pompe varie en proportion de la vitesse de rotation du moteur. Son couple augmente très rapidement en fonction de cette vitesse et la hauteur de refoulement est fonction du carré de la vitesse du moteur.

On utilise habituellement les pompes centrifuges pour les gros débits et les profondeurs moyennes ou faibles (10 à 100 mètres).

Ci-dessous est donnée l'illustration d'une pompe centrifuge.

Figure 1.10 : Exemple d'installation avec une pompe centrifuge

b) Constitution :

Une pompe centrifuge est constituée par :

§ Une roue à aubes tournant autour de son axe

§ Un distributeur dans l'axe de la roue

§ Un collecteur de section croissante, en forme de spirale.

Le schéma 1.11 représente le type de pompe le plus courant, la pompe centrifuge à volute, généralement connue sous le nom simple de "pompe centrifuge". Elle comporte un carter en volute, communiquant avec un canal extérieur en forme de coquille d'escargot à section transversale graduellement variable. L'écoulement de l'eau à la sortie du rotor se transforme en écoulement tangentiel dans ce canal où il sera ralenti progressivement. Ainsi l'eau sort tangentiellement et passe dans la conduite de refoulement à vitesse réduite et à forte pression.

Figure 1.11 Illustration d'une pompe centrifuge à volute

Le schéma 1.12 représente un autre type, à savoir la pompe dite "centrifuge à turbine" ou "turbo pompe". Elle comporte un diffuseur à aubes dont la section augmente progressivement (six dans le cas de la figure) afin de ralentir la vitesse de l'eau tout en augmentant sa pression. Pour la turbine représentée sur la figure, les filets liquides sont déviés à la sortie des aubes pour suivre une trajectoire moins tangentielle et plus radiale afin à faciliter son passage dans le canal entourant le diffuseur, à section constante avant de sortir à la partie supérieure.

Figure 1.12 Illustration d'une centrifuge à turbine

c) Caractéristiques d'une pompe centrifuge :

Ces pompes peuvent s'adapter à de petits forages, ce qui permet de capter les nappes phréatiques profondes qui ont souvent un niveau d'eau dynamique.

Figure 1.13 : Caractéristiques d'une pompe centrifuge a) et b)

Les figures ci-dessus montrent les paramètres de fonctionnement de la vitesse en fonction du couple d'une part, et en fonction du débit d'autre part.

Il existe aussi dans la même technologie, les pompes centrifuges flottantes.

1.2.3.1.2 Les pompes volumétriques :

a) Principe de fonctionnement :

La pompe volumétrique transmet l'énergie cinétique du moteur en mouvement de va-et-vient permettant au fluide de vaincre la gravité par variations successives d'un volume raccordé alternativement à l'orifice d'aspiration et à l'orifice de refoulement.

L'écoulement résulte de la variation d'une capacité occupée par le liquide. L'eau est pratiquement incompressible. Par suite, si un piston coulisse parfaitement dans un tuyau plein d'eau, l'eau sera déplacée le long du tuyau sous l'effet du mouvement du piston. De même, si le tuyau plonge en partie ou en totalité dans l'eau, au moment où l'on soulève le piston le vide est produit dans la partie inférieure du tuyau, et l'eau monte dans le tuyau par aspiration.

Le débit de ces pompes est en général un débit continu ou quasi-continu. Le principal avantage des machines rotatives c'est qu'elles se prêtent aisément à la mécanisation et aux grandes vitesses de fonctionnement. Cet avantage est un facteur important, car à dimensions égales, plus une pompe est rapide, plus son débit est fort et plus elle est productive et rentable. En outre, dans un régime continu de fonctionnement les risques de coups de bélier et de cavitation sont bien moins importants que dans le cas des machines à mouvement alternatif.

b) Constitution :

Une pompe volumétrique se compose d'un corps de pompe parfaitement clos à l'intérieur duquel se déplace un élément mobile rigoureusement ajusté.

On distingue généralement les pompes volumétriques rotatives et les pompes volumétriques alternatives.

§ Les pompes volumétriques rotatives : ces pompes sont constituées par une pièce mobile animée d'un mouvement de rotation autour d'un axe, qui tourne dans le corps de la pompe et crée le mouvement du liquide pompé par déplacement d'un volume depuis l'aspiration jusqu'au refoulement.

Ces pompes se subdivisent en :

· Pompes à palettes

· Pompes à engrenages

· Pompes à rotors hélicoïdaux excentrés

· Pompes péristaltiques

§ Les pompes volumétriques alternatives : la pièce mobile est animée d'un mouvement alternatif. On distingue :

· Les pompes à piston

· Les pompes doseuses

c) Caractéristiques :

Le débit d'eau d'une pompe volumétrique est proportionnel à la vitesse du moteur. Mais son couple varie essentiellement en fonction de la hauteur manométrique totale (HMT) et est pratiquement constant en fonction de la vitesse de rotation du moteur. Le couple de démarrage est donc pratiquement indépendant du débit et sera proportionnel à la HMT. La puissance consommée sera proportionnelle à la vitesse.

Figure 1.14 : courbes caractéristiques du couple en fonction de la vitesse (a) et du débit en fonction de la vitesse (b)

Le débit d'eau d'une pompe volumétrique est proportionnel à la vitesse du moteur. Mais son couple varie essentiellement en fonction de la hauteur manométrique totale (HMT) et est pratiquement constant en fonction de la vitesse de rotation du moteur.

1.2.3.1.2 Comparaisons entre les pompes centrifuges et les pompes volumétriques :

Pour de petites HMT et de faibles débits journaliers (HMT _ Q <25 m3/j), les pompes à main peuvent s'avérer plus intéressantes. On utilisera alors un seau pour pomper l'eau. L'utilisation de pompes mécaniques sur cette plage d'utilisation se limitera principalement aux pompes volumétriques de faible puissance.

Pour les hauteurs de moins de 7 mètres, l'emploi de pompes à aspiration sera préféré. Cette pompe est généralement de type centrifuge à ailettes.

Pour de faibles débits et une puissance disponible variable (par exemple, couplage éolien), l'emploi d'une pompe à cavité (volumétrique) permet un débit plus constant.

Pour une HMT moyenne, comprise entre 10 et 50 mètres, la pompe immergée centrifuge est généralement la plus efficace. Mais son rendement est très étroitement lié à la HMT et son dimensionnement est critique.

Pour les HMT supérieures à 35 mètres et de faibles débits journaliers (<20 m3), la pompe volumétrique sera la plus utilisée, surtout si une forte variation du rabattement de la nappe (donc de la HMT) est constatée.

Pour des débits plus élevés, l'emploi d'une pompe centrifuge est souvent le seul choix possible.

Figure 1.15 : Choix d'une pompe selon la HMT et le débit demandés

Le choix d'une pompe se portera également sur sa capacité à répondre aux conditions variables du site. Nous avons vu que le débit d'une pompe volumétrique est moins affecté par la variation de la HMT alors que la pompe centrifuge verra son débit diminuer rapidement à mesure que la HMT augmente. La hauteur de refoulement d'une pompe centrifuge est fonction du carré de la vitesse du moteur. À mesure que la HMT augmente, le rendement de la pompe diminue très rapidement ; le moteur devrait tourner beaucoup plus rapidement pour fournir un même débit.

Figure 1.15 Exemples de courbes débit - HMT pour quelques pompes

1.2.3.2 Selon le mode d'utilisation :

En fonction de l'emplacement physique de la pompe, nous distinguons : les pompes à aspiration et les pompes à refoulement.

1.2.3.2.1 Les pompes de surface :

La hauteur d'aspiration de n'importe quelle pompe est limitée à une valeur théorique de 9,8 mètres (pression atmosphérique en mètres d'eau) et dans la pratique à 6 ou 7 mètres. Les pompes à aspiration sont donc toujours installées à une hauteur inférieure à celle-ci. Ces pompes doivent également être amorcées, c'est-à-dire que la section en amont de la pompe doit être remplie d'eau pour amorcer l'aspiration d'eau.

1.2.3.2.2 Les pompes immergées :

Les pompes de refoulement sont immergées dans l'eau et ont soit leur moteur immergé avec la pompe (pompe monobloc), soit le moteur en surface ; la transmission de puissance se fait alors par un long arbre reliant la pompe au moteur. Dans les deux cas, une conduite de refoulement après la pompe permet des élévations de plusieurs dizaines de mètres, selon la puissance du moteur.

1.2.4 L'alimentation électrique :

Les pompes sont alimentées par un moteur électrique qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique. Ils fonctionnent soit en alternatif, soit en continu.

Parmi les moteurs à courant continu nous distinguons :

§ Les moteurs à balais

§ Les moteurs à commutation électronique qui utilisent un circuit électronique pour inverser le courant circulant dans le rotor

§ Les moteurs série qui s'adapte particulièrement à la traction

§ Les moteurs shunt, utilisés dans les machines-outils

§ Les moteurs à excitation composée

Outre les moteurs à courant continu, il y a les moteurs à courants alternatifs. Les moteurs alternatifs asynchrones sont les plus couramment employés pour une gamme variée d'applications industrielles.

Tableau 1.2 comparatif des moteurs à courant continu et courant alternatif

 

Moteurs à courant continu

Moteur asynchrone

Avantages

· Facilité de régulation (variation de vitesse, couple,..)

· Rendement de 90%

· fiabilité. nécessite peu d'entretien

· rendement de 90%

Inconvénients

· coût d'entretien. Le système balai collecteur est à changer

difficulté et coût de régulation (nécessite la réalisation de commandes vectorielles)

1.2.4.1 La commande électronique :

Le moteur de la pompe ne fonctionnera pratiquement jamais au point maximal (Pm) du générateur Photovoltaïque durant la journée. Pour cela il nous faudra un adaptateur de puissance qui pourra moduler l'énergie

En utilisation moteur continu, on parlera d'adaptateur de charge. C'est un dispositif électronique permettant de varier le point de fonctionnement du champ

Avec le moteur alternatif, l'énergie continue délivrée par la génératrice continue doit être convertit. La fonction principale de l'onduleur est de transformer le courant continu, produit par le générateur solaire, en courant alternatif monophasé ou triphasé. Un onduleur est habituellement conçu pour fonctionner sur une plage assez réduite.

1.2.4.1.1 L'onduleur (moteur alternatif) :

La fonction principale de l'onduleur est de transformer le courant continu, produit par le générateur solaire, en courant alternatif monophasé ou triphasé. Un onduleur est habituellement conçu pour fonctionner sur une plage assez réduite. Il est très efficace pour des caractéristiques d'entrée et de sortie fixe. Son coût assez élevé et la nature variable de l'ensoleillement et du couple résistant des pompes en général ont longtemps exclu l'emploi des moteurs à courant alternatif pour le pompage solaire.

Les onduleurs de pompage sont en général à fréquence (f ) variable afin de permettre une variation de la vitesse de rotation de la pompe. Dans ce cas, le rapport de la tension alternative (U) sur la fréquence - U/f - est constant. La fréquence du courant alternatif est directement proportionnelle à l'intensité de l'ensoleillement.

La tension nominale du courant alternatif peut être standard (220 ou 380 V) ou adaptée à un moteur spécifique d'une application photovoltaïque (80 V).

On distingue plusieurs types d'onduleurs suivant la qualité du signal de sortie :

§ 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).

§ Onduleur à onde sinusoïdale 

L'onduleur à onde sinusoïdale modifiée peut supporter de fortes surcharges et sa distorsion harmonique est relativement faible, de sorte qu'il n'introduit que peu de pertes par effet Joule susceptibles de causer l'échauffement des moteurs. Il est souvent employé avec de petits systèmes de pompage.

L'onduleur à modification de largeur d'impulsion utilise des commutateurs électroniques rapides pour varier la largeur d'impulsion. En utilisant un filtre à la sortie, l'onde sinusoïdale peut être reconstruite. Ces onduleurs relativement peu coûteux sont très efficaces, fonctionnant à près de 90%-95% de rendement. Ils sont employés par la plupart des systèmes de pompage à courant alternatif.

1.2.4.1.2 Adaptateur de charge (moteur continu) :

Les courbes caractéristiques courant-tension du groupe motopompe et du générateur solaire peuvent être très variables. En fait, selon l'instant de la journée, le type de pompe utilisée et les conditions d'utilisation du forage, le moteur de la pompe ne fonctionnera pratiquement jamais au point maximal (Pm) du générateur PV durant la journée. L'adaptateur de charge est un dispositif électronique permettant de varier le point de fonctionnement du champ. L'adaptateur de charge sera particulièrement nécessaire au démarrage d'une pompe volumétrique, en augmentant la tension de fonctionnement acceptable par le moteur. Il permettra également de meilleurs résultats du groupe motopompe lors d'ensoleillements faibles.

L'onduleur à onde sinusoïdale n'a pas la capacité de surcharge des précédents onduleurs et son coût est relativement élevé. Il est peu employé pour les systèmes de pompage.

Figure 1.16 : Courbes d'ondes de sortie d'un onduleur de pompage

1.2.5 Méthodologie de dimensionnement d'une pompe hydraulique :

1.2.5.1 Détermination du débit :

Dans un système de transmission d'énergie, les composantes actives sont, celles qui transforment et modulent l'énergie. A cause de ce double rôle, les composantes actives exercent une influence considérable sur la qualité du système de transmission d'énergie, principalement sur son efficacité, sa fiabilité, son espérance de vie et son coût.

Le débit théorique est égal au volume emprisonné V0, multiplié par la vitesse de rotation de la pompe Ù :

Débit et cylindrée : le débit réel d'une pompe dépend des fonctions auxquelles celle-ci est soumise : vitesse de rotation, pression et viscosité du fluide. Il faut ajouter à ce débit les débits de fuite et les débits de pilotage relatifs aux autres composantes du circuit.

Q théorique = V0 . Ù (I.10)

Par ailleurs, en fonction des exigences du cycle de travail, on doit choisir soit une pompe a cylindrée fixe, soit une pompe à cylindrée variable. Bien qu'une pompe à cylindrée variable soit plus chère, nous en préconisons l'utilisation dans toutes les installations, principalement dans celle ou la puissance est supérieure a 25 Kw.

La gamme des cylindrées des pompes volumétriques destinées à une utilisation industrielle est vaste de moins de 0,05 Cm3 par tour, pour une pompe miniature à pistons axiaux et à axes brisé. Les pompes à palettes à rotor équilibré et toutes les pompes à engrenages sont toujours à cylindrée fixe, alors que les pompes à palettes à rotor non équilibré et toutes les pompes à pistons peuvent être soit à cylindrée fixe, soit à cylindrée variable.

La rotation des palettes crée:

En 1 une dépression permettant l'aspiration;

En 2 une suppression assurant le refoulement.

La cylindrée d'une pompe est le volume de liquide aspiré à chaque tour:

Unités: Q en m3/s;

V = n en tr/s; V en m3/H (I.10)

Figure 1.17 Pompe rotative à palettes

1.2.5.2 Détermination de la pression :

Les données relatives à la pression déterminent la capacité de la pompe d'être soumise à la pression sans qu'il y ait augmentation excessive des fuites volumétriques, ni usure prématurée ou déformation et contrainte trop élevée.

La pression nominale est la pression maximale recommandée par le fabricant pour que la durée de vie de la pompe soit satisfaisante lorsqu'on l'utilise en fonctionnement continu. Elle peu être définie par calcul connaissant la vitesse d'écoulement du fluide, le débit d'utilisation par la relation :

Q = S x V (I.11)

F = P x S (I.12)

La pression qu'il faut délivrer en bout de ligne dépend aussi des pertes de charges ÄP.

En pratique, plus la charge de la pompe est élevée, plus le liquide a tendance à s'échapper à travers les défauts d'étanchéité des pièces mobiles.

ÄHp = Hsortie - Hentrée (I.13)

Le débit réel qv est donc inférieur au débit théorique. On définit un rendement volumétrique :

(I.14)

1.2.5.3 Détermination de la puissance hydraulique :

La puissance hydraulique nécessaire pour véhiculer le débit Q d'eau à une hauteur manométrique HMT est donnée par l'expression suivante :

Phy = ñ x g x Q x HMT (I.15)

ñ : masse volumique de l'eau (1000 kg/m3) g : accélération de la pesanteur (9.81 m/S2)

Q : débit de la pompe en m3/S

HMT : hauteur manométrique totale en m

Cette puissance hydraulique représente la puissance que la pompe transmet effectivement au fluide pour circuler dans le circuit pour tel débit à telle différence de pression. Elle ne représente qu'une petite partie de la consommation électrique car le rendement global est très mauvais (10 à 20 %). La puissance hydraulique est ce qui est transmis au final, c'est la puissance utile. On peut représenter son cheminement de la manière suivante (les pertes magnétiques ne sont pas représentées) :

Figure 1.18 Diagramme des puissances sur un groupe motopompe

1.2.5.3 Détermination de la puissance mécanique :

Le type de pompe à choisir devra garantir un rendement de l'ordre de 80%, ce qui permet de calculer la puissance mécanique de la pompe à partir de l'expression suivante :

Pm = Phy / ç (I.16)

Avec Pm : Puissance mécanique de la pompe en Kw

Phy : puissance hydraulique de la pompe en Kw ç : rendement de la pompe

1.2.5.4 Détermination de la puissance électrique :

La puissance électrique d'une pompe la puissance électrique ou active nécessaire pour le fonctionnement du moteur est obtenue à partir de sa puissance mécanique et de son rendement par l'expression suivante :

Pe = Pm / ç (I.17)

Deuxième partie : Les pompes solaires

2.1 Généralités :

2.1.1 Définition :

L'irrigation par pompage à petite échelle est l'une des utilisations les plus intéressantes de l'énergie solaire. En effet, l'intensité maximale du rayonnement solaire correspond généralement à la période de besoins en eau de pompage les plus importants. D'autre part le fait que cette énergie est disponible juste au point d'utilisation, l'agriculteur est libéré des problèmes liés à l'approvisionnement en carburant, ou bien à l'existence de lignes de transport de l'électricité facilement accessibles. A l'heure actuelle, les principaux obstacles qui entravent l'utilisation des pompes solaires à plus grande échelle, sont leur coût élevé et le caractère trop récent de cette technologie. La mise au point d'une pompe solaire suffisamment fiable et d'un coût raisonnable - ce qui serait très probable d'ici quelques années - pourrait donner un coup de force à l'agriculture au Tiers Monde. Pour cela il est très important d'étudier les possibilités offertes par cette nouvelle technique prometteuse. Bien qu'à l'heure actuelle sa viabilité économique pour l'irrigation est encore contestée.

Une pompe photovoltaïque se présente fondamentalement de deux façons selon qu'elle fonctionne avec ou sans batterie. Alors que cette première utilise une batterie pour stocker l'électricité produite par les modules, la pompe sans batterie, plus communément appelée « pompe au fil du soleil », utilise un réservoir pour stocker l'eau jusqu'au moment de son utilisation. La pompe avec batterie permet de s'affranchir des aléas du soleil et des problèmes d'adaptation entre générateur photovoltaïque et motopompe.

Le débit de pompage peut se faire à la demande, lorsque les utilisateurs en ont besoin, ou permettre un pompage régulier durant toute la journée.

2.1.2 Fonctionnement :

Un système solaire actionné de pompage de l'eau se compos de deux composants de base.

2.1.2.1 Les panneaux photovoltaïques :

Le premier constituant est alimentation d'énergie se composant des panneaux photovoltaïques. Le plus petit élément d'un panneau PV est la pile solaire. Chaque pile solaire a deux couches particulièrement préparées ou plus de matériel de semi-conducteur qui produisent l'électricité (C.C) à courant continu une fois exposées à la lumière. Ce courant continu est rassemblé par le câblage dans le panneau. Il est alors fourni par l'un ou l'autre à une pompe à courant continu, qui pompe alternativement l'eau toutes les fois que le soleil brille, ou stocké dans des batteries pour l'usage postérieur par la pompe. Les fabricants évaluent normalement la tension (volts) et courant (des ampères) produit des panneaux PV sous la puissance de crête conditions.

La puissance de crête (watts=volts X ampères) est la puissance maximum fournie par le panneau photovoltaïque à l'irradiance 1000 W/m2 solaire (quantité de soleil) et à une température spécifique, habituellement 25 C (77 F). La quantité de courant continu produite par un panneau est beaucoup plus sensible à l'intensité de la lumière frappant le panneau qu'est la tension produite. En général, si vous divisez en deux l'intensité de la lumière, vous divisez en deux le rendement courant de C.C, mais le rendement de tension est réduit seulement légèrement.

2.1.2.2 La pompe :

L'autre composant principal de ces systèmes est la pompe. Des pompes à eau solaires sont particulièrement conçues pour employer l'énergie solaire efficacement. Les pompes conventionnelles exigent le courant continu constant par rapport à ce que fournissent le réseau électrique ou les générateurs tels que groupe électrogène, motopompe. Les pompes solaires emploient le courant continu des batteries et des panneaux photovoltaïques. En outre, elles sont conçues pour fonctionner effectivement pendant des états à faible niveau d'éclairement, sous tension réduite, sans perte de vitesse ou surchauffe. Bien qu'un éventail de tailles soit disponible, la plupart des pompes utilisées dans des applications de bétail-arrosage sont bas volume. Le pompage à faible volume réduit le coût du système en employant un nombre minimum de panneaux solaires et en employant la journée pour pomper l'eau ou pour charger des batteries. Quelques pompes solaires sont entièrement submersibles, alors que d'autres ne sont pas. L'utilisation des pompes submersibles élimine des problèmes potentiels d'amorçage. La plupart des pompes à eau solaires sont conçues pour employer l'énergie solaire le plus efficacement et pour opérer 12 à 36 volts de C.C.

Les pompes, en raison de leur nature mécanique, ont certaines propriétés bien définies d'opération. Ces propriétés varient entre les types de pompes, les fabricants et les modèles. La quantité de l'eau qu'un système de pompage solaire livrera sur une période donnée (habituellement mesuré en litres par minute (l/mn) dépend de la pression contre laquelle la pompe doit fonctionner.

La pression de système est en grande partie déterminée par toute la distance de pompage verticale (la distance verticale entre la source d'eau et le réservoir d'eau) désignée simplement sous le nom de la tête d'altitude.

Quand des pertes de frottement de système et les conditions de pression de décharge (le cas échéant) sont ajoutées à la tête d'altitude. Les fabricants de pompe éditent l'information qui décrit comment chaque pompe exécutera dans des conditions de fonctionnement variables.

Les débits et le minimum prévus définissent des tailles de panneaux solaires pour 24 volts.

Le choix de la pompe dépend du volume d'eau requis, de l'efficacité, du prix et de la fiabilité.

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