Cette étude de cas sur pompage solaire révèle comment le dimensionnement d’un système photovoltaïque peut transformer l’irrigation dans les zones arides. Découvrez les avantages économiques et environnementaux qui en découlent, et pourquoi cette approche est essentielle pour l’agriculture marocaine.
Moteur électrique :
Le moteur d’un groupe motopompe convertit l’énergie électrique en énergie mécanique. Il peut être à courant continu ou alternatif. Dans ce dernier cas, un convertisseur électronique ou un onduleur est nécessaire pour convertir le courant continu provenant d’un générateur photovoltaïque en courant alternatif. Pour cette raison, le choix d’un moteur à courant continu peut sembler, de prime abord, plus intéressant, mais nous allons voir que l’évolution de convertisseurs électroniques efficaces permet également de choisir des moteurs alternatifs efficaces et surtout moins coûteux.
Moteur à courant continu :
Les modules PV produisent du courant continu, de sorte que les moteurs à courant continu sont généralement utilisés dans un système de pompage d’eau solaire à faible puissance. Les systèmes de pompes solaires de moins de 5 kW utilisent généralement des moteurs à courant continu. Ces moteurs sont de deux types: moteur à courant continu avec balais et sans balais.
Le moteur à courant continu avec balais nécessite un entretien fréquent en raison du collecteur et des contacts de balais coulissants, en particulier dans les applications immergées où la pompe doit être retirée fréquemment du puits pour remplacer les balais. Un moteur CC sans balai à aimant permanent synchrone (MAPM) couplé à une pompe centrifuge s’avère être une meilleure alternative qu’un moteur à courant continu pour les systèmes de pompage d’eau PV couplés à faible puissance. Ce type de moteur est de petite taille et robuste par rapport à un moteur à courant alternatif.
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Figure III.18 : Moteur électrique à courant continu
Moteur à courant alternatif :
Mais problèmes de coût et de maintenance des moteurs à courant continu ont abouti à l’utilisation de moteurs à courant alternatif « ou à induction », qui nécessitent l’utilisation d’un onduleur entre le générateur photovoltaïque et le moteur. Le système de pompage PV basé sur un moteur à induction est robuste, fiable, sans entretien, avec un rendement accru et offre davantage de possibilités de stratégies de contrôle par rapport aux moteurs à courant continu.
Ces moteurs alternatifs se déclinent en deux types :
- Moteur synchrone
- Moteur asynchrone
Moteur synchrone :
La machine synchrone est une machine à champ magnétique tournant qui présente deux paires (P) de pôles magnétiques au rotor ainsi qu’au stator. P représente le nombre de paires de pôles (p pôles nord et p pôles sud). La vitesse de rotation n du rotor dépend directement de la fréquence f de la tension d’alimentation, on parle de vitesse de synchronisme.
Autrefois utilisés quasi exclusivement en alternateur, le développement de l’électronique de puissance et la généralisation des aimants comme inducteur permettent aujourd’hui d’employer les machines synchrones en tant que moteurs dans une large gamme de puissance. La machine synchrone dans la très grande majorité des cas est utilisée en triphasé [14].
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Figure III.19: moteur électrique synchrone triphasé
Moteur asynchrone :
La machine asynchrone est constituée des principaux éléments suivants [14] :
- Le stator (partie fixe) constitué de disques en tôles magnétiques portant les enroulements chargés de magnétiser l’entrefer.
- le rotor (partie tournante) constitué de disques en tôles magnétiques empilés sur l’arbre de la machine portant un enroulement injecté.
- les organes mécaniques permettant la rotation du rotor et le maintien des différents sous-ensembles.
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Figure III.20 : composants du moteur asynchrone triphasé
Et voici un résumé des avantages et inconvénients des différents moteurs : [23]
Tableau III.2 : résumé des avantages et inconvénients des différents moteurs
| Résumé des avantages et inconvénients des différents moteurs | ||
|---|---|---|
| Type du moteur | Avantages | Inconvénients |
| Moteur à courant continu | -Simple et efficace pour les faibles charges. -Ne nécessite pas un circuit de commande compliqué | Les balais doivent être remplacés périodiquement |
| Moteur à courant continu sans balais | -Un bon rendement -Ne demande pas de maintenance | La commutation électronique ajoute des dépenses de plus et avec le risque de défaillance |
| Moteur à courant alternatif | -De larges gammes disponibles pour de larges gammes de charges. -Moins chère que le moteur à courant continu. | Moins efficace que le moteur à courant continu. Nécessite un onduleur |
Les Convertisseurs:
Un convertisseur est un appareil électronique qui sert à la conversion de la tension électrique soit du régime continu à continu tension continue ou du régime continu à alternatif pour faire fonctionner une telle charge. Il est placé entre la source d’énergie et la charge.
Dans le système de pompage photovoltaïque, le convertisseur il est soit raccordé directement au générateur photovoltaïque ou raccordé à la batterie d’accumulateurs.
On distingue donc deux types de convertisseurs :
Le convertisseur continu-continu (DC-DC)
Un convertisseur continu-continu ou hacheur est un convertisseur statique (utilisant des composants à semi-conducteurs) qui permet d’alimenter une charge sous une tension continue réglable, à partir d’une source de tension continue constante.
Ce type de convertisseur est destiné à adapter à chaque instant l’impédance apparente de la charge à l’impédance du champ PV correspondant au point de puissance maximale, donc de faire varier la vitesse de rotation d’un moteur à courant continu. On distingue deux types :
Hacheur dévolteur (Buck)
Ce nom est lié au fait que la tension moyenne de sortie est inférieure à celle de l’entrée. Il comporte un interrupteur à amorçage commandé H (transistor, bipolaire, transistor MOS ou IGBT…) en série avec la source et une diode de roue libre D. Le cycle de fonctionnement, de période de hachage T, comporte deux étapes. Lors de la première, on rend le MOSFET passant et la diode polarisée en inverse, est bloquée. Cette phase dure de 0 à αT, avec
α: est appelé rapport cyclique, et compris entre 0 et 1. Lors de la seconde, on bloque le MOSFET et la diode devient passante. Cette phase dure de αT à T [24].
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Figure III.21 : Schéma d’un hacheur dévolteur
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Figure III.22 : Tension de sortie du hacheur dévolteur
Hacheur survolteur (Boost)
Un hacheur survolteur (boost) ou hacheur parallèle fournit une tension de sortie dont la valeur moyenne est supérieure à celle de la tension d’entrée.
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Figure III.23 : Schéma d’un hacheur survolteur
Durant l’intervalle [0,αT] l’interrupteur commandé, le théristor Th, est fermé. Seule l’inductance Le se trouve connectée à la source ; elle emmagasine alors une certaine énergie sous forme de courant. La diode D est bloquée.
Pendant l’intervalle [αT,T], l’interrupteur est bloqué. L’énergie emmagasinée sera restituée à la charge via la diode D. La tension visible en sortie sera Vs=V-VL dépassant de loin la valeur V.
Les expressions de la valeur moyenne de la tension de sortie du hacheur ainsi que la valeur moyenne du courant d’entrée du hacheur sont données par :
1
𝑉𝑠𝑚𝑜𝑦=𝑉
1−𝝰
𝐼𝑠=(1− α)𝐼𝑒
Avantages du convertisseur élévateur
Malgré le rendement inhérent élevé du convertisseur BUCK dans les systèmes avec des sources de puissance conventionnelles, le convertisseur BOOST peut être plus approprié aux systèmes photovoltaïques avec le suiveur du point de puissance maximale (MPPT), puisque le convertisseur fonctionne au mode de courant continu extrayant autant de puissance que possible à partir des cellules solaires. Par conséquent le rendement énergétique du convertisseur BOOST peut être plus grand que le convertisseur BUCK.
Questions Fréquemment Posées
Quels types de moteurs sont utilisés dans les systèmes de pompage solaire?
Les systèmes de pompage solaire utilisent principalement des moteurs à courant continu et des moteurs à courant alternatif.
Quels sont les avantages des moteurs à courant alternatif dans le pompage solaire?
Les moteurs à courant alternatif sont robustes, fiables, sans entretien, avec un rendement accru et offrent davantage de possibilités de stratégies de contrôle par rapport aux moteurs à courant continu.
Pourquoi choisir un moteur à courant continu pour les systèmes de pompage à faible puissance?
Les moteurs à courant continu sont généralement utilisés dans un système de pompage d’eau solaire à faible puissance car ils sont simples et efficaces pour les faibles charges.