Comment concevoir une pompe à eau DC alimentée par énergie solaire photovoltaïque ?

Un guide sur la conception d'une pompe à eau CC à énergie solaire photovoltaïque

Conception typique d'une pompe à moteur à courant continu à énergie solaire

Le type de système photovoltaïque le plus simple que l'on puisse concevoir consiste à connecter un ou plusieurs modules photovoltaïques directement à la charge CC, comme illustré à la figure 1 ci-dessous.

La capacité globale des modules est telle qu'elle ne peut fournir de l'énergie que pendant les heures d'ensoleillement. Aucune disposition spéciale n'est prise pour avoir l'utilisation maximale des modules en suivant le point de puissance maximale des modules avec un contrôleur de charge tout au long de la journée.

Un tel système est un système non régulé car la puissance de sortie des modules change en raison du changement des heures d'ensoleillement et aucun agencement de batterie de secours n'est fait pour répondre à la demande d'énergie pendant la nuit opération. Un tel système est plus adapté aux applications domestiques telles que le pompage d'eau à l'aide d'une pompe à eau à moteur à courant continu.

Comme indiqué, un tel système peut être utilisé pour le pompage de l'eau, en particulier dans l'application de l'irrigation. Si nous avons besoin d'eau la nuit, nous pouvons utiliser l'énergie stockée dans la batterie pour pomper l'eau pendant la nuit. Mais comme nous savons que les batteries ne peuvent être chargées que pendant les heures d'ensoleillement de la journée.

Alors, pourquoi devrions-nous charger des batteries si nous pouvons utiliser cette énergie solaire disponible pour pomper l'eau immédiatement pendant les heures d'ensoleillement ? D'autre part, nous savons que les batteries ne sont pas bon marché et nécessiteraient également un circuit électronique de puissance comme un contrôleur de charge, ce qui augmenterait le coût. Ainsi, en utilisant l'énergie solaire disponible immédiatement pendant les heures d'ensoleillement pour pomper l'eau, nous pouvons éliminer le coût et l'espace requis pour la batterie et le contrôleur de charge dans cette application autonome.

La conception d'un tel système est très simple car nous devons faire correspondre la puissance et la tension nominale du module PV à celles du moteur de la pompe à courant continu. Ainsi, lorsque le module reçoit l'énergie solaire rayonnement la pompe puisera l'eau et la stockera dans le réservoir. Un tel système peut également être conçu pour un moteur à courant alternatif de différentes puissances disponibles sur le marché.

Mais la pompe à moteur à courant alternatif nécessitera un circuit inverseur (CC - CA) pour inverser le courant continu généré par le module PV en courant alternatif pour faire fonctionner le moteur. De plus, la puissance nominale de l'onduleur doit être correctement adaptée à celle du moteur AC et du module PV.

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Exigences de la pompe à eau CC à énergie solaire

Maintenant, avant de commencer la conception du système de pompage de l'eau, il est important de comprendre certains termes qui sont étroitement liés à la conception d'un tel système autonome.

1. Besoin quotidien en eau (m ³ /jour) :les besoins en eau peuvent varier quotidiennement, mensuellement et saisonnièrement. La quantité d'eau nécessaire par jour détermine le coût et la taille du système. Ainsi, si les besoins en eau varient d'un jour à l'autre, la moyenne hebdomadaire ou mensuelle peut être prise en compte pour le calcul de conception. Mais les besoins en eau maximum doivent être pris en compte, car si le système peut répondre à la demande de pointe en eau, il peut répondre à la demande régulière.
2. Hauteur dynamique totale (TDH) (mètres) :il s'agit du paramètre le plus important pour la conception du système de pompage. C'est la pression effective à laquelle la pompe à eau doit fonctionner et elle est mesurée en mètres. Il a deux sous-paramètres, l'un est la portance verticale totale et l'autre est les pertes par frottement totales. De plus, la portance verticale totale est la somme de trois paramètres illustrés dans la figure 3 ci-dessous comme ; l'élévation, le niveau de l'eau stagnante et le rabattement.

• L'élévation est la mesure de la différence entre les points, c'est-à-dire entre le sol et la hauteur à laquelle l'eau doit être évacuée.
• Le niveau d'eau stagnante est la différence entre le niveau d'eau dans le puits et la surface du sol.
• Le rabattement est la mesure de la hauteur à partir de laquelle le niveau d'eau baisse en raison du pompage de l'eau.

1. Pertes par frottement (mètres) :il s'agit de la pression nécessaire pour surmonter le frottement dans le tuyau présent entre la sortie de la pompe à eau et le point de sortie de l'eau. Il est ajouté à la hauteur verticale totale pour obtenir la valeur de la charge dynamique totale (TDH) et est mesuré en mètres. Plusieurs facteurs contribuent à la cause des pertes par frottement tels que la taille du tuyau, le type de raccords, l'air présent dans le tuyau, le nombre de coudes, le débit, etc. Si le point de décharge de l'eau est proche du puits, une approximation la valeur de la perte par frottement est utilisée pour le calcul. Par exemple, si le point de rejet se trouve à moins de 10 m du puits, 5 % de la portance verticale totale est considérée comme la perte par frottement.

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Étapes de conception d'une pompe à eau DC alimentée par photovoltaïque

Tous les paramètres ci-dessus sont très utiles pour la conception du système de pompage d'eau à l'aide de modules solaires photovoltaïques. Voyons maintenant comment ces paramètres et différentes étapes peuvent être utiles pour concevoir un tel système autonome. La conception du système peut se faire en cinq étapes comme suit :

• Étape 1 : Déterminer les besoins quotidiens en eau en (m ³ /jour)
• Étape 2 : Calculez la charge dynamique totale (TDH) requise pour pomper l'eau.
• Étape 3 : Calculez l'énergie hydraulique totale requise par jour (Watt-heure/jour) pour pomper l'eau.
• Étape 4 : Calculez le rayonnement solaire disponible sur le site.
• Étape 5 : Calculez la taille et le nombre de modules photovoltaïques nécessaires, la puissance du moteur, son efficacité et ses pertes.

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Exemple et calcul pour la conception d'une pompe à eau CC à énergie solaire 

Pour comprendre cela, prenons simplement un exemple de conception où nous avons besoin de 50 m ³ d'eau par jour à partir d'une profondeur de 20 m. Il a une élévation, un niveau d'eau stagnante et un rabattement de 10 m, 10 m et 4 m respectivement.

La densité de l'eau est de 2 000 kg/m ³ et l'accélération due à la gravité (g) est de 9,8 m/s ² . La puissance nominale maximale du module solaire est de 36 W_P , étant donné que les modules ne fonctionnent pas à leur capacité de puissance de crête nominale, le facteur de fonctionnement est donc de 0,75. L'efficacité de la pompe est d'environ 40 % et le facteur d'inadéquation est de 0,85 car les modules ne fonctionnent pas à la PowerPoint maximale.

Notez que le facteur de non-concordance doit être pris comme 1 si nous utilisons un MPPT avec le contrôleur de charge, mais dans notre cas, le facteur de non-concordance est de 0,85 car nous connectons directement le PV modules au moteur de la pompe à courant continu.

Étape 1 : Déterminer les besoins quotidiens en eau en (m ³ /jour)

Besoin quotidien en eau =50 m ³ /jour

Étape 2 : Calculez la charge dynamique totale (TDH) requise pour pomper l'eau.

Ascension verticale totale =Altitude + Niveau d'eau stagnante + Rabattement

Dénivelé total =10 m + 10 m + 4 m =24 m

Perte par frottement =5 % de la portance verticale totale =24 × 0,05 =1,2 m

Total Dynamic Head (TDH) =Ascension verticale totale + Perte par frottement

Chute dynamique totale (TDH) =24 m + 1,2 m =25,2 m

Étape 3 : Calculez l'énergie hydraulique totale requise par jour (Watt-heure/jour) pour pomper l'eau.

Énergie hydraulique requise =Masse × g × TDH

Énergie hydraulique requise =Densité × Volume × g × TDH

Énergie hydraulique requise =2 000 kg/m ³ × 50 m ³ /jour × 9,8 m/s ² × 25,2 m =6860 Wh/jour

Étape 4 : Calculez le rayonnement solaire disponible sur le site.

Radiation solaire disponible sur le site (Nombre d'heures d'ensoleillement maximum par jour) =6h/jour (1000 W/m ² équivalent)

Les heures d'ensoleillement maximales sont les plus couramment utilisées car elles simplifient les calculs. Ne vous trompez pas avec les "heures d'ensoleillement moyennes" et "Heures d'ensoleillement maximales" que vous collecteriez à la station météorologique. Les "heures d'ensoleillement moyennes" indiquent le nombre d'heures d'ensoleillement, car les "heures d'ensoleillement maximales" correspondent au nombre d'heures de la quantité réelle d'énergie reçue en KWh/m ² /jour.

Étape 5 : Calculez la taille et le nombre de modules PV nécessaires, la puissance du moteur, son efficacité et ses pertes.

Puissance totale du panneau PV =Énergie hydraulique totale / Nombre d'heures d'ensoleillement maximum par jour

Puissance totale du panneau PV =6860 / 6 =1143,33 W

Puissance totale du panneau PV en tenant compte des pertes du système =Puissance totale du panneau PV / (Efficacité de la pompe × Facteur d'inadéquation)

Puissance totale du panneau PV en tenant compte des pertes du système =1143,33 / (0,40 × 0,85) =3362,73 W

Puissance totale du panneau PV en tenant compte du facteur de fonctionnement du module PV = Puissance totale du panneau PV en tenant compte des pertes du système / Facteur de fonctionnement

Puissance totale du panneau PV en tenant compte du facteur de fonctionnement du module PV =3362,73 / 0,75 =4483,64 W

Non. de panneaux photovoltaïques requis de 36 W_P =Puissance totale du panneau PV compte tenu du facteur de fonctionnement du module PV / 36

Non. de panneaux photovoltaïques requis de 36 W_P =4483,64 / 36 =124,54 =(125 chiffre rond)

Puissance nominale du moteur à courant continu =Puissance totale du panneau PV en tenant compte du facteur de fonctionnement du module PV / 746 W (c'est-à-dire 1 hp) =Moteur de 6,0102 hp =(chiffre rond de 7 hp )

La disposition des panneaux en série et en parallèle peut être effectuée en fonction de la tension et du courant nominal du module et du moteur à courant continu. Un tel système peut également être conçu avec un circuit MPPT et un onduleur pour le moteur AC, mais il est important que son efficacité et sa puissance nominale soient prises en compte lors de la conception du système.

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Conclusion

Nous avons étudié une approche simple et économique pour concevoir un pompage d'eau à courant continu basé sur l'énergie solaire PV qui nécessite des composants limités, aucune exigence de batteries et de contrôleur. Nous avons brièvement étudié les termes de base liés au pompage de l'eau et les calculs de conception détaillés pour pomper le niveau d'eau requis à des fins d'irrigation. Un tel système peut également être conçu à l'aide d'un moteur à courant alternatif et peut être mis en œuvre aux niveaux domestique, résidentiel et commercial.