Dimensionnement Pompage Solaire

 Exemple étude dimensionnement Pompage solaire

Etude solaire pour site isolé

Deux principaux objectifs sont visés en ce qui concerne le dimensionnement de notre système solaire : l’économie d’eau, et l’économie financière. Un système photovoltaïque, pour pompage d’eau pour irrigation ou bien pour besoin domestique bien dimensionné doit pouvoir combler les besoins en quantité d’énergie qu’on en attend, tout en étant le moins couteux tant au moment de son installation que dans sa phase de production Il doit fonctionner pendant une période raisonnable garantissant son amortissement.

Trois phases sont nécessaires à déterminer un dimensionnement optimal :

Ä 1^ère phase : Détermination des besoins en eau du champ à irriguer et du besoin domestique.

Cette phase nécessite une connaissance du type de plantes à irriguer, des sols, du type d’irrigation et des conditions atmosphériques (vents, humidité, etc.) ; A cela, on associera toutes les pertes d’eau dues à l’évaporation lorsque le bassin de rétention est ouvert. Un choix sur l’autonomie recherché doit être fait pour définir une capacité de stockage d’eau. Le débit recherché peut conditionner la hauteur de stockage.

Ä 2^ème phase : Dimensionnement et choix du type de motopompe.

Cela est fonction de 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.

Ä 3^ème phase : Dimensionnement et montage du système PV.

Ce dimensionnement tient compte de la puissance nominale de la pompe majorée des différentes pertes (conversion de tension, régulation) et de l’ensoleillement du site. Son montage (orientation) dépend de sa position géographique (longitude).

Le pompage d’eau par l’energie solaire photovoltaique  représente la solution idéale pour l’approvisionnement en eau partout ou le réseau électrique est absent. Il constitue alors une solution parfaitement adéquate pour subvenir aux besoins de l’irrigation et pour l’alimentation en eau potable à base de l’energie solaire  sera lancé dans une exploitation domestique à BENGUERIR, ou le système alimentera une villa en eau potable de 4 personnes, pour les bétails (2 vaches, un cheval, et 6 moutons) et irriguera 1 hectares de graines.                                                                                                                              

Le système qui sera installé pompera l’eau tirée d’un puits creusé à cet effet. Ce projet vise donc à mettre en application l’énergie solaire photovoltaïque dans le domaine d’usage.

Description du projet 

Notre projet d’étude est de remplacer le système thermique qui est le groupe électrogène avec un système de pompage par l’énergie solaire photovoltaïque dans une maison. Cette dernière est isolée n’est pas reliée au réseau électrique.

Plan de la maison sous Autocad

Etude technique : application d’un système de pompage d’eau par l’énergie 

Milieu physique 

Le climat dans la zone d’étude est de type tempéré. L’hiver peut connaitre de sérieux coups de froids, la température minimale et maximale absolues enregistrées sont respectivement de l’ordre de +9.9°C et + 28.6°C.

On va utiliser les données météo à partire d’une station météo comme la station qu’on a dans labo de département de physique a la FSTE.

Par exemple :

Ou bien le site suivant : https://fr.climate-data.org/afrique/maroc/guercif/guercif-718191/t/mai-5/

Donnée sur le site Guercif : 

On va utiliser le logiciel Pvsyst

Différents types de besoin journalier en eau.

§  Pour les humains et les animaux, on a prévu un ballon de stockage (autonomie de 3 jours), le besoin total est :

(0,12 + 0,03 + 0,04 + 0,08) x 3 = 0,83 m³/jour

D’où : Q= 0.83 m³/jour

On prendra le débit total pour les humains et les animaux :    

 

Pour stocker ce volume d’eau, on utilise des citernes verticales avec un volume de 1100 l. Les figures suivantes illustrent ces différentes caractéristiques techniques :

Caractéristiques de citernes verticales utilisées dans l’étude.

§  Pour un hectare de graine (au fil de soleil) :

Q=45m³/jour

§  Le débit journalier total est :

45 + 1 = 46 m³/ jour

D’où :               

 

 

 L’évaluation des besoins en eau pour la maison étudiée :

Ddébit d'eau du site étudié.

Débit d’eau pour les humains et les animaux	Débit d’eau pour un hectare de graine	Débit journalier total
1m3/jour	45m3/jour	46m3/jour

 

Calcul de la hauteur manométrique totale :

Pour notre station de pompage, la hauteur manométrique totale est égale à 80,83 m. Elle correspond au niveau de refoulement d’eau de la pompe installée.

Schéma de description du système hydraulique.

®    La hauteur manométrique totale H_MT :

H_MT=H_g + Pc

Hg : hauteur géométrique entre la nappe d’eau pompée (niveau dynamique) et le plan d’utilisation (le sol) : H_g =70m ,

Pc : pertes de charges. On doit déterminer sa valeur à partir des calculs  ( Calcul de pertes de charges pour la maison étudiée).

Calcul de pertes de charges

Pour notre station de pompage, il existe deux circuits de canalisation d’alimentation en eau. Le premier est du ballon de stockage pour la maison de longueur 76.4 m, et le deuxième pour l’irrigation qui est de 72 m.

Définition des tuyaux en PEHD	Illustration	Domaine d’utulisation	Caractéristiques
Les tuyaux en PEHD sont utilisés pour transporter de l’eau potable, des eaux usées, des déchets dangereux, des produits chimiques et des gaz comprimés.		Approvisionnement en eau ;                   Élevage et agriculture ;             Réservoir surélevé pour eau potable ;   Station d'épuration ;	Résistants à la corresion ;         Joint efficaces et performants ; Installation sans tranchée ; Respectueux à la nature ;

*le débit horaire trouvé est calculé à partir de débit journalier total avec 7 heures de fonctionnement :

Qh=  = 6,571 m³/h

 

Qh= 6,571 x 10³ = 6571 l/h

 

Tube utilisé pour les systèmes de canalisation 

 Pour notre cas, on utilise un tube PVC pression JC PN 16 pour les systèmes de canalisation d’adduction d’eau potable. D’après le diagramme ci-dessus, le diamètre théorique est égal à 41 mm, le tube convenable à notre étude est indiqué dans le tableau suivant  :

Présentation du calcul de pertes de charges hydraulique 

Types de résistances singulières :

Circuit vers le ballon de stockage	Circuit vers les champs d’irrigation
Coude à 90°	Coude à 90°
Clapet anti-retour	Clapet anti-retour
Vanne d’arret droite	Vanne d’arret droite
Coude normal en U	Coude large à 90°

Coefficient des pertes singulières étudié :

Pour notre diamètre du tube étudié qui appartient à l’intervalle [30 mm, 54 mm], car le diamètre théorique trouvé ci-dessus est égal à 41 mm et les pertes singulières de réseaux de distribution et de composant d’installation, convenables sont indiqués dans les deux tableaux en vert.

Coefficient de pertes singulières pour les réseaux de distribution.

Dimensionnement de la station de pompage

Le dimensionnement du système de pompage PV concerne le calcul de la puissance crête du générateur photovoltaïque, le choix de la pompe et le choix de l’onduleur répondants au service requis dans les conditions de références. Ce dimensionnement prend en considération les deux conditions suivantes :

§  Choisir les besoins journaliers en eau durant la période de besoin maximal. 

§  Choisir l’ensoleillement moyen dans la période d’irrigation.

Pour notre exemple, le débit journalier maximal requis est de 46 [m³/jour] pendant l’année et l’énergie d’ensoleillement moyenne pendant l’année est égale à 6673 [Wh/m²/jour].

      Pour dimensionner la station de pompage, nous suivons les étapes suivantes :

Calcul de l’énergie hydraulique quotidienne requise 

On a :

E_h=C_h x Q (m³/jour) x H_MT

Où _:

 avec

   g=9,81m /s² et =1000 kg/m³

Q= 46 m³/jour ;                                                                                                                                      

H_MT=80,83 m.

E_h = 2,725 x 80,83 x 46 = 10132,04 Wh /jour

Calcul de l’énergie électrique consommée par le groupe motopompe 

On a :

E_ele=

E_ele=15468,77 Wh/jour

 

: rendement du groupe motopompe, dans notre cas il est égal à 65,5%.

Vérification du choix de la pompe 

ü  Puissance absorbée par la pompe :

 

Pa : puissance absorbée par la pompe.

=2209 W

                                                          

Généralement, nous choisissons la pompe en fonction du débit et de la hauteur manométrique totale.

ü  Débit horaire :

=

Avec :

h : nombre d’heure d’ensoleillement maximal ,                                                       

 : débit horaire [m³/h].

Dans notre cas, nous prenons :

§  Q=46 m³/jour 

§  h=7h

Par conséquent, le débit horaire est :  

=6571 m³/jour

D’où :                                                  

ü  Hauteur manométrique totale est :

ü  Dimensionnement de la pompe :

Pour notre étude, la motopompe utilisée est portée sur une gamme de pompes proposées par le constructeur GRUNDFOS. Cette gamme est constituée de pompes de dimensions différentes. Le choix généralement de la pompe se fait selon nos besoins. Un débit horaire est de 6,571m³/h, la hauteur manométrique totale est de 80,83 m. Il s’agit donc d’une motopompe immergée (2,41kW/380 Vac), adéquate avec les données du site à Guercif.

La figure ci-après illustre ces caractéristiques techniques.

Choix de convertisseur (DC / AC) compatible avec cette installation

Il a pour rôle, la conversion du courant continu produit par les panneaux en courant alternatif identique à celui du réseau. Le choix du convertisseur dépend des caractéristiques électriques de la pompe alimentée (puissance, tension). Pour le besoin de notre étude, le convertisseur choisi est :

Convertisseur ABB ACS355. 

On a d’après l’étude théorique, la puissance absorbée par la pompe est égale à 2,21 kW et pour choisir le convertisseur convenable on calcule la puissance d’onduleur par la relation suivante :

Pond= Pa x 1,3

Avec :

Coefficient de sécurité des appareils à hautes puissances.

Pond = 2, 21 x 1, 3

Pond   = 2,873 kW

Donc :

Pour le convertisseur, on l’a choisi en fonction de la puissance d’onduleur et par le type de moteur de la pompe utilisée qui est 3-phasé. Le type choisi est indiqué au-dessous en marron avec Vch = 400V :

 

Type d’onduleur	Puissance (kW)	Tension de l’entrée(V)	Tension de sortie (V)	Fréquence (Hertz)
ABB ACS355-03E-08A8-4 / R1	3	400	380	50

Taille du générateur PV 

Calcul de l’énergie électrique produite par le générateur photovoltaïque 

L’énergie produite, par le champ photovoltaïque, doit couvrir le besoin du groupe motopompe ainsi que les différentes pertes qui surviennent sur le circuit électrique de l’installation. Elle est calculée de la façon suivante :

 

E_produite=

K : coefficient tenant compte des rendements des composants du champ ;

                                                    K==0.83

: Rendement de câblage, il est défini comme le rapport entre la puissance de sortie du câblage et la puissance d’entrée, qui est de l’ordre de 0.97 ;

: Rendement de température, il est défini comme la diminution du rendement par les pertes au niveau du câblage par effet Joule,=1-les pertes 0.95 ;

FM : Facteur d’adaptation (Facteur de couplage), il est défini comme le rapport entre l’énergie électrique générée sous les conditions d’exploitation et l’énergie électrique qui se générerait si le système travaillait au point de puissance maximale. Il est de l’ordre de 0.95.

                                        E_produite==18637,07 Wh/jour

D’où :

Puissance crête à installer Pc 

La puissance crête définit la taille du champ solaire à installer. Elle représente subtilement la surface de capteurs solaire capable de fournir l’énergie nécessaire à la pompe.

Pc=

Irr : Irradiation moyen pendant la période d’irrigation.                                                                            

 Pc : La puissance crête des panneaux solaires.

Pc==2792,91 Wc

D’où :

Avec :

Wc : Le watt-crête est l’unité de mesure de puissance d’un panneau solaire. Il correspond à la délivrance d’une puissance électrique de 1 Watt, sous de bonnes conditions d’ensoleillement et d’orientation. La puissance d’un watt-crête est atteinte à plusieurs conditions : un ensoleillement de 1000 W/m² et une température de 25 °C.

v Composition du générateur photovoltaïque :

On a choisi des panneaux de SUNPOWER 305 Wc. Ces panneaux solaires offrent de meilleures performances que les autres, en raison de la conception complètement révisée de leurs cellules photovoltaïques. Les trois principaux éléments qui la composent sont en effet entièrement différents que dans une cellule photovoltaïque classique :

ü  Face avant sans quadrillage : la cellule capte plus de lumière et offre un rendu plus élégant sur votre toiture ; 

ü  Support en cuivre massif : la structure est plus solide et la cellule devient quasi imperméable à la corrosion ;

ü  Connecteurs épais : au lieu des habituels fins rubans qui lient les cellules entre elles, nos connecteurs sont épais et intègrent un dispositif de décharge de traction qui résout les problèmes de dilatation/contraction liés aux changements de température.

Après le calcul de la puissance du générateur PV, on détermine le nombre de modules constituants le générateur suivant la puissance du module PV choisi.

Nombre des panneaux installés 

§     Nombre de modules :

Le nombre total de modules (N_M) constituant le générateur PV :

N_M=

N_M==9.15

D’où :                          

Avec :

Pc : puissance crête du générateur ;                                                                                             

P_M : puissance du module ;

N_M : nombre de modules photovoltaïque.

§     Nombre de module en série (nombre de modules par STRING) :

Pour trouver la tension convenable à l’alimentation d’une charge donnée par la mise en série de plusieurs modules PV, le nombre de ces modules :

N_MS=

N_MS==6, 23

D’où :                               

Avec :

V_CH : tension nominale de la charge (au niveau de l’entrée de convertisseur) ; 

V_CO : tension à vide du générateur PV.

§     Nombre de modules en parallèle (nombre de STRING) :

La mise en parallèle de modules donne l’intensité nécessaire à la charge. Le nombre de branches est:

N_MP=

N_MP==1,42

D’où :                                   

Avec :

N _M : nombre de modules total ;                                                                                               

N_MS : nombre de module par string (Module en série).

§     Correction de la puissance crête :

Dans la plupart des cas, le nombre de modules (en séries et/ou en parallèles) calculés n’est pas un entier ; il faut donc l’arrondir pour trouver la nouvelle puissance corrigée.

Pc = N_M x P_M

                                                                 Pc = 305 Wc x 12                                                 

                                                                  

avec:                                                 N_M= 2 strings x 6 PV/string.

 

On obtient donc la configuration suivante :

-Six modules en série et deux strings en parallèle.

Choix des câbles 

Pour le choix des câbles, on a deux parties à dimensionner. La première de panneaux à courant continu et la deuxième partie de l’onduleur à courant alternative. Le problème des pertes joules et des chutes de tensions dans les câbles se posent donc dans cette partie.                                                                    

Le câblage doit être capable de supporter les intempéries, il doit ensuite être de section suffisante pour que les chutes de tension n’affectent pas de façon significative le fonctionnement du système. Pour les systèmes photovoltaïques concernent le pompage, la chute de tension acceptable maximale est égale à 3%.

Câbles à courant continu entre générateur PV et onduleur 

C’est au niveau de la partie courant continu de l’installation que les intensités sont les plus importantes. Les panneaux solaires émettent du courant continu, à une tension variable suivant l’ensoleillement. Les pompes à courant continu (CC), proposées par Lorentz notamment, ont l’avantage d’être connectables sans modification du courant continu vers du courant alternatif (AC). Le rendement électrique est de fait meilleur.                                                                                              

Pour calculer la section des conducteurs entre ses composantes, on utilise l’équation suivante :[28]

                                                      Et     

 

Données complémentaires	Dimensionnement des câbles
L=160 m (longueur du câble) I=IMPP=11,92 A U : la tension dans les câbles. U=NPV/String x VCO=400V. (Conducteurs en cuivre).	S===2,54x10-6 m2 Þ     Scalculé= 2,54 mm2 -la section : Scable ≥ 2,54 mm2 -le courant : Icable ≥ 11,92 A Normalement on utilise des câbles connectés avec les panneaux avec section de 6 mm2.

 

Câble à courant alternatif entre l’onduleur et la pompe 

Les pompes AC se branchent après un onduleur, qui transforme le courant continu des panneaux solaires en courant alternatif. Il y a un donc un élément supplémentaire qui peut être facteur de panne. Les pompes AC sont plus courantes, donc souvent moins chères, plus faciles à changer.

Pour déterminer les caractéristiques de câbles en courant alternatif, on utilise la fiche ci-après, avec la puissance utilisée est égale à 3 kW et longueur de câble est 180 m.

D’après la fiche ci-dessus la section de câble alternatif choisie est 4 x 4 mm² (3-phase et un neutre) et de l’intensité 7,8 A.

Pour notre étude, on a choisi câbles de type U-1000 R2V avec isolation XLPE et gaine PVC. L’usage de ces câbles est adapté aux installations télécontrôle et peuvent être installé en extérieur sans protection. Ils ont une résistance UV, AN3 selon NF C 15100. 

conclusion :

Nous avons présenté dans ce TP l’algorithme de dimensionnement de système de pompage photovoltaïque qu’on a appliqué à un exemple d’irrigation et l’alimentation d’eau d’une maison   à Guercif.