Dimensionnement de Systèmes de Pompage Photovoltaïque

1 Rev. Energ. Ren. Vol. 8 (2005) 19 - 26 19 Dimensionnement de syst mes de Pompage photovolta que A. Hadj Arab 1, M. Benghanem 2 et A. Gharbi 1 1 Centre de D veloppement des Energies Renouvelables, 62, Bouzar ah, Alger 2 Facult de G nie Electrique, , 32, El-Alia, Bab-Ezzouar, Alger R sum - Ce travail pr sente deux m thodes de Dimensionnement de syst mes de Pompage photovolta que, une m thode analytique et une m thode graphique. Ces m thodes permettent de dimensionner une installation de Pompage photovolta que pour satisfaire les besoins en eau d une consommation bien d termin e. Elles sont bas es essentiellement sur l valuation des besoins d eau, le calcul de l nergie hydraulique n cessaire, la d termination de l nergie solaire disponible et le choix des composants. Abstract - This work presents two sizing methods of photovoltaic (PV) pumping systems. The first one is analytic and the second one graphic.

2 These methods allow us to size a PV pumping installation in order to satisfy the water needs of a determined consumption. They are based essentially on the water needs evaluation, the calculation of the necessary hydraulic energy, the determination of the available solar energy and the choice of the components. Mots cl s: photovolta que - Pompage - Dimensionnement . 1. INTRODUCTION Beaucoup de populations dans les zones rurales des pays en voie de d veloppement affrontent de grands probl mes dus au d ficit en eau. Ces probl mes sont sp cialement accentu s dans zones d sertiques et semi-d sertiques. Le d ficit en eau dans les zones arides et semi-arides est une question vitale pour les populations. L am lioration des conditions de vie dans ces zones est li e la recherche des solutions ad quates ce probl me. Le Pompage solaire photovolta que (PV) repr sente la solution id ale pour l approvisionnement en eau partout o le r seau lectrique est absent.

3 Plusieurs travaux sur le Dimensionnement de syst mes de Pompage photovolta que (SPPV) ont t publi s [1, 2, 3]. Ces travaux se basent sur la simulation du fonctionnement de chaque composante de ces SPPV. Cependant ces programmes n cessitent des donn es exp rimentales qui ne sont pas faciles obtenir. 2. METHODE SIMPLE DE Dimensionnement Les diff rentes tapes pour le Dimensionnement d un syst me de Pompage sont : - Evaluation des besoins en eau - Calcul de l nergie hydraulique n cessaire - D termination de l nergie solaire disponible - Choix des composants. Evaluation des besoins en eau La d termination des besoins en eau pour la consommation d une population donn e d pend essentiellement de son mode de vie. A. Hadj Arab et al. 20 Les besoins en eau que l on estime n cessaires pour les zones rurales des pays pauvres sont de l ordre de 20 litres par personne et 30 litres par t te de b tail [4].

4 Les besoins d eau pour l irrigation d pendent du type de culture, des facteurs m t orologiques comme la temp rature, l humidit , la vitesse du vent, l vapotranspiration du sol, la saison de l ann e consid r e et de la m thode d irrigation. Cependant, il est important de se baser sur la pratique et l exp rience locale. La capacit du r servoir sera d termin e selon les besoins en eau journali res et l autonomie requise du syst me. Calcul de l' nergie hydraulique n cessaire Une fois d finies les besoins n cessaires en volume d eau pour chaque mois de l ann e et les caract ristiques du puits, nous pouvons calculer l nergie hydraulique moyenne journali re et mensuelle n cessaire partir de la relation : 3600/hVgEaah = (1) o Eh : nergie hydraulique (Wh/jour) h : hauteur totale (m) Va : volume d eau (m3/jour) a : densit de l eau (1000 kg/m3) g : acc l ration de la pesanteur (9,81m/s2) Durant le processus de Pompage , le niveau d eau l int rieur du puits tend baisser, jusqu ce que la vitesse avec laquelle la r g n ration du puits arrive quilibrer la quantit pour que l on puisse pomper l eau de nouveau.

5 L abaissement du niveau d eau dans le puits d pend d un certain nombre de facteurs, comme le type et la perm abilit du sol et l paisseur de l aquif re. La hauteur totale de Pompage est la somme de la hauteur statique et de la hauteur dynamique : dshhh+= (2) Dans le cas de puits qui pr sentent des variations importantes du niveau d eau en fonction du d bit, on peut ajouter un terme correctif et cette quation devient : ApsddsQQhhhhh ++= (3) o hs : niveau statique (m) Qp : d bit d essai (m3/h) hd : niveau dynamique (m) QA : d bit apparent (m3/h) La hauteur statique hs est la distance entre le niveau statique de l eau dans le puits jusqu au point le plus lev auquel on doit pomper l eau. La hauteur dynamique hd repr sente les pertes d eau dans la tuyauterie. La formule de Darcy-Weisbach [6] permet le calcul de la hauteur dynamique : g2vDLfh2d= (4) o Dimensionnement des syst mes de Pompage photovolta ques 21f : coefficient de friction des parois de la tuyauterie v : vitesse moyenne du fluide (m/s) L : longueur de la tuyauterie (m) D : diam tre de la tuyauterie (m) g : acc l ration de la pesanteur (m/s2) Dans le cas o le syst me de tuyauterie aurait un autre type d accessoires (vannes, coudes, t s, jonctions.)

6 , nous pouvons calculer les pertes de charge dans chaque l ment additionnel comme : g2vKh2acd= (5) o Kac est un coefficient d pendant du type d accessoire. Dans le tableau 1, on donne une s rie de valeurs de Kac pour diff rents accessoires. Tableau 1: Coefficient Kac pour diff rents types d accessoires dans la tuyauterie Accessoire Coefficient Kac Jonction du r servoir tuyauterie connexion au ras de la paroi 0,5 Jonction de tuyauterie au r servoir 1,0 Coude 45 0,35 0,45 Coude 90 0,50 0,75 T s 1,50 2,00 Vannes de contr le (ouverte) 3,0 Une autre m thode pour tenir compte des accessoires du circuit est d ajouter la longueur r elle de la tuyauterie (seulement pour effet de calcul) des longueurs de tubes de m me diam tres que le conducteur en tude, capables de causer les m mes pertes de charge occasionn s par les pi ces qu elles substituent.

7 De cette fa on, n importe quel accessoire peut tre substitu par une longueur fictive [7]. En g n ral, on recommande que la hauteur dynamique ne d passe pas 10 % de la hauteur totale de Pompage . D termination de l nergie solaire disponible La m thode de Dimensionnement utilis e est bas e sur les calculs des valeurs moyennes journali res mensuelles de l irradiation solaire disponible et de l nergie hydraulique n cessaire. Inclinaison du g n rateur photovolta que L inclinaison des modules photovolta ques (PV) par rapport au plan horizontal doit se faire de mani re optimiser le rapport entre l irradiation solaire et l nergie hydraulique n cessaire. Mois de Dimensionnement Le mois de Dimensionnement sera le mois le plus d favorable, c est- -dire celui dont le rapport entre l irradiation solaire et l nergie hydraulique n cessaire soit minimum.

8 A. Hadj Arab et al. 22 Comme id e de principe, chaque inclinaison , correspond un mois le plus d favorable. Le mois de Dimensionnement l inclinaison optimale sera pr cis ment celui qui pr sente le plus petit rapport entre l irradiation solaire et l nergie hydraulique. L irradiation solaire Gdm( ) et l nergie hydraulique n cessaire Eh correspondantes ce mois serviront pour le choix des composantes du syst me. Dimensionnement du g n rateur photovolta que La puissance de sortie d un g n rateur photovolta que sous les conditions standards de mesure, CSM, ( clairement Gce =1000 W/m2 et temp rature de cellule Tc,ref = 25 C) [8] est : cegpGAP = (6) o Pp : puissance de sortie sous CSM (W) g : rendement du g n rateur la temp rature de r f rence (25 C) A : surface active du g n rateur (m2) Gce : clairement dans les CSM (1000 W/m2) L nergie lectrique journali re, Ee, est donn e par : )(GAEdmPVe = (7) o PV : rendement moyen journalier du g n rateur dans les conditions d exploitation Gdm ( ) : irradiation moyenne journali re incidente sur le plan des modules l inclinaison (kWh/m2/jour).

9 Le rendement PV peut tre calcul l aide de l expression : ()[]gref,ccmPVTT1F = (8) o Fm : facteur de couplage, d fini comme le rapport entre l nergie lectrique g n r e sous les conditions d explotation et l nergie lectrique qui se g n rerait si le syst me travaillait au point de puissance maximum. : coefficient de temp rature des cellules. prend des valeurs entre 0,004 et / C pour des modules au silicium mono et polycristallin, et entre 0,001 et 0,002 pour des modules au silicium amorphe. Tc : temp rature moyenne journali re des cellules durant les heures d ensoleillement. L nergie lectrique n cessaire est li e avec l nergie hydraulique par l expression : MPheEE = (9) o Eh : nergie hydraulique moyenne mensuelle (kWh) MB : rendement du sous- syst me moteur-pompe. En substituant les quations (7), (8) et (9) dans (6), nous obtenons pour la puissance cr te du g n rateur : ()[]MBhdmref,ccmcePE)(GTT1 FGP = (10) Dimensionnement des syst mes de Pompage photovolta ques Dimensionnement du moteur Le moteur doit tre capable de supporter la puissance cr te du g n rateur photovolta que.

10 Dimensionnement de la pompe Le d bit cr te Q (m3/h) est calcul par la relation : (11) o Ph : puissance hydraulique n cessaire (W) g : acc l ration de la pesanteur ( ) h : hauteur manom trique totale (m) La puissance hydraulique cr te (Ph) n cessaire en fonction de la puissance lectrique cr te fournie par le g n rateur photovolta que (Pe) est donn e par : MBePPh = (12) o MB : rendement cr te du sous- syst me moteur-pompe. Dimensionnement des tuyauteries Le diam tre des tuyauteries peut tre estim en utilisant des tableaux ou des graphes qui expriment les pertes par frottements en fonction du d bit pour chaque diam tre de la tuyauterie. En pratique, il se pr sente le probl me de fixer la hauteur dynamique hd pour des consid rations conomiques. En effet, si nous augmentons le diam tre D de la tuyauterie, hd diminue. Economiquement parlant, une augmentation de D suppose une augmentation des d penses d installation, mais en m me temps une diminution des pertes d nergie.