Le pompage solaire

Constitution d'un système de pompage solaire photovoltaïque.

la seule différence entre un système de pompage solaire et un système de pompage classique est l'utilisation de panneaux photovoltaïques [14], du convertisseur [15] et de sa pompe [2].

Les forages.

Tête de forage.

Les forages n’exploitent pas la même eau que les puits; en effet, ils plongent dans la nappe hydrogéologique. Les eaux des puits et plus généralement de surface conviennent à l’irrigation, voire aux tâches ménagères mais il peut se trouver qu'elle doivent être purifiées pour la consommationn humaine et animale, car l’eau de pluie n’est que faiblement filtrée avant de parvenir à la nappe phréatique et le puits lui-même peut être source de pollution pour toute la nappe phréatique.

Un forage doit donc respecter des conditions d’hygiène très strictes : aucun corps salissant et aucune substance chimique ne doivent entrer en contact avec l’eau de la nappe hydrogéologique. En effet, tous les forages d’une région plongent dans la même nappe ; une pollution de cette eau aurait donc des répercutions importantes. Le forage doit par conséquent être fermé avec étanchéité et il requiert l’utilisation d ’une "tête de forage".

Un forage doit être testé.

Chaque forage doit être testé et il ne peut l'être que par un service public ou une entreprise hydrogéologique. C'est seulement les conclusions de ce test qui nous permetteront de déterminer quel système de pompage installer en toute sécurité.
L’objectif des tests de forages est d’assurer que le débit proposé soit supportable et que la capacité de recharge de la nappe soit suffisante pour maintenir ce débit constament.

Ces tests, qui peuvent durer quelques jours, sont réalisés pour déterminer le débit d'équilibre de pompage du point d'eau qui soit dans la gamme de rendement de sécurité du couple nappe / forage.

Ce débit de sous tirage ne doit pas excéder la capacité de la nappe à se régénérer durant les saisons sèches sous peine de voir baisser le niveau d’eau dynamique de la nappe à un niveau qui désadapte la pompe immergée. Or ce niveau fluctue naturellement lui même selon le débit, les saisons et les années.

Les données à recueillir le plus précisément possible par les hydrologues sont le débit d'équilibre supportable et le rabattement à ce débit (le pompage de l’eau à un débit donné crée un cône de dépression, c'est le rabattement).

Composants d'un système de pompage photovoltaïque.

Les types de pompes immergées utilisées en pompage photovoltaïque.

Les pompes immergées utilisées en pompage photovoltaïque sont les mêmes que celles qui sont utilisées classiquement dans les forages et tout aussi fiables. Si elles sont différentes, elles le sont par la motorisation. Les pompes immergées courantes ont un diamètre de 3" (75 mm) à 6" (150 mm) et se composent d'un moteur étanche à courant alternatif ou continu et d'une hydraulique centrifuge multicellulaire ou volumétrique.
La durée de vie des pompes (fortement liée à la qualité de l’eau) peut être supérieure à 10 ans et le seul entretien courant consiste au nettoyage de l'hydraulique (boue, sable, déchets) dès que l’on constate une baisse du débit.
Les moteurs répandus en usage standard sont compatibles avec le réseau électrique alors qu’en technique solaire, les pompes

peuvent avoir des moteurs à courant alternatif (compatibles ou pas avec le réseau électrique) ou à courant continu. Chaque pompe est donc accompagnée de son électronique (DC hacheur et AC convertisseur) qui est toujours équipée d’un dispositif de recherche de puissance maximale Mppt.
Cette profusion de motorisation a répondu historiquement au souci de fournir à une large clientèle ayant des besoins différents, des produits réalisant des performances particulières et à la nécessité d’adapter l’électricité photovoltaïque aux moteurs.

Les pompes à cavité progressive.

Les pompes centrifuges.

Ces pompes communiquent à l’eau de l’énergie cinétique par la mise en mouvement du fluide. L’eau est transmise de proche en proche jusqu’à l’étage final.
Chaque étage est constitué par une roue à ailettes qui tourne à l’intérieur d’un diffuseur fixe, muni d’aubes de courbure adéquate. L’entrée de l'eau se fait par dépression au centre de la roue et sa sortie suivant sa tangente. Là, une partie de son énergie cinétique est transformée en pression, par réduction de vitesse. Plusieurs étages non nécessairement identiques par leur taux de compression sont superposés sur le même arbre de transmission suivant la hauteur manométrique totale et le débit recherché.

Les pompes à cavité progressive fonctionnent selon le principe du déplacement volumétrique. Elles communiquent à l’eau de l’énergie potentielle par accroissement de la pression en aval.
Elles sont composées d'un rotor hélicoïdal en acier inoxydable inséré dans un stator élastomère à hélice interne hélicoïdale (analogie avec le système vis – écrou). A chaque rotation du rotor, un volume d’eau est aspiré par la vis et est levé d’une distance égale au pas de l’hélice. Ceci est rendu possible par l'élasticité du stator.

Le convertisseur PMW (modulation de largeur d'impulsions) pour moteur à courant alternatif.

La fonction principale du convertisseur est de transformer le courant continu, produit par le générateur solaire, en courant alternatif monophasé ou triphasé de tension pouvant être celle du réseau électrique ou adaptée à un moteur spécifique.
Le convertisseur PWM utilise des composants (commutateurs) électroniques rapides pour varier la largeur d’impulsion. A la sortie, l’onde sinusoïdale est reconstituée. Ces convertisseurs sont à fréquence variable proportionnelle à l’intensité de l’ensoleillement afin de permettre une variation de la vitesse de rotation de la pompe tandis que le rapport de la tension alternative sur la fréquence U/f est constant.
•Une deuxième fonction du convertisseur est la recherche du point de puissance maximale du générateur (MPPT). Un microprocesseur recherche à intervalles réguliers la puissance maximale disponible du générateur et fixe ainsi la tension du courant continu à l’entrée de l’onduleur.

Une troisième fonction du convertisseur est la gestion et la protection de l’installation :
•Interrupteur principal incorporé.
•Protection : surchauffe, surcharge, sous-charge, surtension, sous-tension, défaut à la terre, court-circuit, fonctionnement à sec, blocage groupe motopompe, inversion de polarité, réservoir plein.
• Contrôle de mise en marche et indication de pannes par voyants lumineux.

Dimensionnement d'un système de pompage solaire.

Les pertes de charge sont dues au frottement de l'eau contre les parois plus ou moins lisses de la tuyauterie, aux changements de diamètres, aux courbes et aux accessoires tels que vannes, coudes, etc.
Les pertes de charge dans une conduite sont proportionnelles à sa longueur, fonction de la nature et l'état de sa paroi et de la vitesse d'écoulement (approximativement proportionnelle au carré de cette vitesse) et inversement proportionnelles au diamètre de la conduite.
Il existe plusieurs formules de mécanique des fluides permettant de calculer les pertes de charge selon la nature et l'état de la conduite.
La conduite d'eau doit être dimensionnée de telle manière que la perte de charge Pc soit petite (<5 %), comparée à la hauteur géométrique totale pour le débit demandé.

tube Polyuréthane Flexwell à faible pertes de charge.

3: S Niveau statique (distance du sol à la surface de l’eau avant pompage).
4 : S+R Niveau dynamique (distance du sol à la surface de l’eau pour un pompage à un débit donné).
5 : HMT La hauteur manométrique totale qui est la somme de la hauteur totale de refoulement située entre le point le plus haut et le point le plus bas du rabattement de la nappe, majorée de toutes les pertes de charge dans la canalisation et ses accessoires. HMT = H + Pc.
6 : Le degré Ph de l'eau.
7 : La température de l'eau.
8 : Le degré de pureté de l'eau.

Quelques données sont nécessaires pour dimensionner un système photovoltaïque de pompage.
1 : Le besoin en eau quotidien dans la mesure où il est en déquation avec les ressources.
2 : Le débit d'équilibre du point d'eau.

Rendement de l'installation de pompage solaire photovoltaïque et point de fonctionnement nominal.

Le rendement de toute pompe est fonction du débit et passe par un maximum pour son débit nominal autour duquel la pompe doit être utilisée.
Le rendement hydraulique des meilleures pompes solaires est de l’ordre de 55 % à 70%, mais ce rendement décroît beaucoup hors du point de fonctionnement nominal.
D'où l'importance du recours aux services d'hydrologie pour tester les forages, une mauvaise évaluation de la HMT entrainant à coup sûr le choix d’une pompe mal adaptée, celle-ci ne pouvant jamais fonctionner à son point de fonctionnementnominal.