Concevoir une pompe à eau DC solaire : Guide étape par étape

Guide pour la conception d'une pompe à eau DC alimentée par l'énergie solaire photovoltaïque

Conception typique d'une pompe à moteur DC alimentée par l'énergie solaire

Le type le plus simple de système PV que l'on puisse concevoir est de connecter un ou plusieurs modules PV directement à la charge DC comme montré dans 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 particulière n'est faite pour avoir une utilisation maximale des modules en suivant le point de puissance maximale des modules avec un régulateur 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 aucune batterie de secours n'est prévue pour fournir l'énergie demandée pendant la nuit. 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 DC.

Comme indiqué, un tel système peut être utilisé pour le pompage d'eau, en particulier dans l'application d'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 diurnes.

Alors pourquoi devrions-nous charger les 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 régulateur de charge qui ajouterait au 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 régulateur de charge dans cette application autonome.

Concevoir une pompe à eau DC solaire : Guide étape par étape

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

Mais la pompe à moteur AC nécessitera un circuit onduleur (DC – AC) pour convertir l'énergie DC générée par le module PV en énergie AC 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 d'une pompe à eau DC alimentée par l'énergie solaire

Avant de commencer la conception du système pour le pompage d'eau, il est important de comprendre certains termes étroitement liés à la conception d'un tel système autonome.

Besoin quotidien en eau (m³/jour) : Le besoin en eau peut varier quotidiennement, mensuellement et saisonnièrement. La quantité d'eau requise par jour détermine le coût et la taille du système. Donc, si le besoin en eau varie par jour, la moyenne hebdomadaire ou mensuelle peut être prise pour le calcul de conception. Mais le besoin maximal en eau doit être considéré, car si le système peut satisfaire la demande maximale en eau, il peut satisfaire la demande régulière.
Hauteur manométrique totale (HMT) (mètres) : C'est le 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. Elle a deux sous-paramètres : la hauteur géométrique totale et les pertes de charge totales. Maintenant, la hauteur géométrique totale est la somme de trois paramètres montrés dans la figure 3 ci-dessous : l'élévation, le niveau d'eau statique et la rabattement.

L'élévation est la mesure de la différence entre les points, c.-à-d. entre le sol et la hauteur à laquelle l'eau doit être déchargée.
Le niveau d'eau statique 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.

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Pertes de charge (mètres) : C'est la pression requise pour surmonter le frottement dans le tuyau présent entre la sortie de la pompe à eau et le point de sortie de l'eau. Elle est ajoutée à la hauteur géométrique totale pour obtenir la valeur de la Hauteur Manométrique Totale (HMT) et est mesurée en mètres. De multiples facteurs contribuent aux pertes de charge 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 valeur approximative de la perte de charge est utilisée pour le calcul. Par exemple, si le point de décharge est à moins de 10 m du puits, 5 % de la hauteur géométrique totale est prise comme perte de charge.

Étapes pour concevoir une pompe à eau DC photovoltaïque

Tous les paramètres ci-dessus sont très utiles pour la conception du système de pompage d'eau utilisant des modules PV solaires. Voyons maintenant comment ces paramètres et différentes étapes peuvent être utiles pour concevoir un tel système autonome. La conception du système peut être faite en cinq étapes comme suit ;

Étape 1 : Déterminer le besoin quotidien en eau en (m³/jour)
Étape 2 : Calculer la Hauteur Manométrique Totale (HMT) requise pour le pompage de l'eau.
Étape 3 : Calculer l'énergie hydraulique totale requise par jour (Watt-heure/jour) pour le pompage de l'eau.
Étape 4 : Calculer le rayonnement solaire disponible sur le site.
Étape 5 : Calculer la taille et le nombre de modules PV requis, la puissance du moteur, son rendement et les pertes.

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

Pour comprendre simplement, prenons un exemple de conception où nous avons besoin de 50 m³ d'eau par jour à partir d'une profondeur de 20 m. Il a une élévation, un niveau d'eau statique et un rabattement de 10 m, 10 m et 4 m respectivement.

La densité de l'eau est de 2000 kg/m³ et l'accélération due à la gravité (g) est de 9,8 m/s². La puissance de crête du module solaire est de 36 W_c, comme les modules ne fonctionnent pas à leur capacité de puissance de crête nominale, le facteur de fonctionnement est de 0,75. Le rendement de la pompe est d'environ 40 % et le facteur de déséquilibre est de 0,85 car les modules ne fonctionnent pas au point de puissance maximale.

Notez que le facteur de déséquilibre doit être pris comme 1 si nous utilisons un MPPT avec le régulateur de charge, mais dans notre cas, le facteur de déséquilibre est de 0,85 car nous connectons directement les modules PV au moteur de pompe DC.

Étape 1 : Déterminer le besoin quotidien en eau en (m³/jour)

Besoin quotidien en eau = 50 m³/jour

Étape 2 : Calculer la Hauteur Manométrique Totale (HMT) requise pour le pompage de l'eau.

Hauteur géométrique totale = Élévation + Niveau d'eau statique + Rabattement

Hauteur géométrique totale = 10 m + 10 m + 4 m = 24 m

Perte de charge = 5 % de la hauteur géométrique totale = 24 × 0,05 = 1,2 m

Hauteur Manométrique Totale (HMT) = Hauteur géométrique totale + Perte de charge

Hauteur Manométrique Totale (HMT) = 24 m + 1,2 m = 25,2 m

Étape 3 : Calculer l'énergie hydraulique totale requise par jour (Watt-heure/jour) pour le pompage de l'eau.

Énergie hydraulique requise = Masse × g × HMT

Énergie hydraulique requise = Densité × Volume × g × HMT

Énergie hydraulique requise = 2000 kg/m³ × 50 m³/jour × 9,8 m/s² × 25,2 m = 6860 Wh/jour

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

Rayonnement solaire disponible sur le site (Nombre d'heures de soleil de pointe par jour) = 6 h/jour (équivalent 1000 W/m²)

Les heures de soleil de pointe sont les plus couramment utilisées car elles simplifient les calculs. Ne confondez pas les « Heures moyennes d'ensoleillement » et les « Heures de soleil de pointe » que vous collecteriez auprès de la station météorologique. Les « Heures moyennes d'ensoleillement » indiquent le nombre d'heures où le soleil a brillé, tandis que les « Heures de soleil de pointe » correspondent au nombre d'heures de la quantité réelle d'énergie reçue en kWh/m²/jour.

Étape 5 : Calculer la taille et le nombre de modules PV requis, la puissance du moteur, son rendement et les pertes.

Puissance totale du panneau PV = Énergie hydraulique totale / Nombre d'heures de soleil de pointe 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 / (Rendement de la pompe × Facteur de déséquilibre)

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

Nombre de panneaux PV requis de 36 W_c = Puissance totale du panneau PV en tenant compte du facteur de fonctionnement du module PV / 36

Nombre de panneaux PV requis de 36 W_c = 4483,64 / 36 = 124,54 = (125 arrondi)

Puissance du moteur DC = Puissance totale du panneau PV en tenant compte du facteur de fonctionnement du module PV / 746 W (c.-à-d. 1 ch) = 6,0102 ch = (7 ch arrondi)

L'arrangement des panneaux en série et en parallèle peut être fait en fonction de la tension et du courant nominaux du module et du moteur DC. Un tel système peut également être conçu avec un circuit MPPT et un onduleur pour le moteur AC, mais il est important que son rendement et sa puissance nominale soient pris en compte lors de la conception du système.