Comment un système de pompage photovoltaïque transforme l’agriculture à Marrakech ?

Ce document révèle comment un système de pompage photovoltaïque innovant peut transformer l’irrigation en zones arides. Découvrez les avantages concrets de cette technologie à Marrakech et comment elle contribue à une agriculture durable tout en réduisant les coûts et les émissions.

Chapitre V :

Etude et simulation par PVSYST d’une installation de pompage solaire

à Marraakech.

Etude de l’installation :

Introduction:

Dans la partie précédente de ce mémoire, nous avons détaillé l’étude et le dimensionnement d’un système de pompage d’eau fonctionnant à l’énergie solaire photovoltaïque.

Mais il est intéressant d’appliquer les techniques étudiées sur un site réel pour valider la méthode choisie et en tirer des conclusions. On traite dans cette partie un cas réel appliqué de pompage solaire.

Pour cette partie pratique de l’étude, le cas réel traité est à Marrakech. Un tel site est caractérisé par une énergie d’ensoleillement journalière importante. Dans ce chapitre, nous étudions le dimensionnement d’un système de pompage PV fonctionnant par la méthode dite « au fil de soleil ».

Le choix d’un système énergétique doit respecter certaines règles. Le système énergétique proposé doit démontrer au préalable sa compétitivité vis-à-vis d’autres systèmes pour le même service rendu. Sa crédibilité doit reposer sur des bases économiques et techniques.

Dans ce chapitre, nous analysons la faisabilité et la rentabilité économique d’une station de pompage alimentée par l’énergie solaire photovoltaïque. Ce système de pompage d’eau par l’énergie solaire photovoltaïque est comparé avec une autre installation présentant les mêmes caractéristiques et fonctionnant à l’aide d’un groupe électrogène au gasoil.

Présentation du cahier de charge

Cette étude a pour but le dimensionnement d’un système de pompage « au fil du soleil » pour un champ d’oliviers de 5 hectares à Marrakech. Son objectif est de garantir à l’utilisateur une installation dont l’exploitation sera conforme à ses besoins et ses exigences, et qui respecte les normes et les règlements en vigueur.

Pour aboutir à ses objectifs, après avoir déterminé les besoins journaliers de ce client, on a choisi une pompe compatible à notre installation en fonction du débit et de la Hauteur manométrique totale (HMT) de la pompe, puis on a choisi le groupe motopompe nécessaire et le convertisseur adéquat ainsi que la configuration pour les panneaux photovoltaïques qui alimentent la pompe et leurs coffrets de protection.

Nous travaillons sur une installation de pompage solaire dans la région de Marrakech, plus précisément à Ménara.

Localisation du site

Les coordonnées géographiques du site sont :

Tableau V.1 : coordonnées géographiques du site

Figure V.1 : carte géographique du site

Estimation des besoins en eau

Étude pour 1 hectare

Le réseau d’irrigation, basé sur un système de goutte à goutte, est approvisionné par une borne fournissant de l’eau :

Chaque olivier a besoin de 4 goutteurs et chaque goutteur débite : 3L/h, d’où le débit nécessaire est : Q=4 goutteurs*3L/h =12L/h.

Pour la région de Marrakech, 1 hectare contient 400 arbres avec une distance de 4*4. Pour l’irrigation de 3 jours, nous avons besoin de 8 à 10 heures.

Le débit nécessaire pour un hectare est : Q’ = nombre d’arbres * Q = 12 * 400 = 4800L/h.

Étude pour 5 hectares

Le débit nécessaire pour 5 hectares est : Q » = 5 * Q′, donc : Q’’=24000L/heure=24m³/heure.

Pour l’agriculteur qui irrigue son champ 3h par jour, le débit journalier est : Q=Q’’*3 heures/jours = 72m³/jours.

Données d’ensoleillements

Nombre d’heures d’ensoleillements :

C’est le nombre minimal d’heures d’ensoleillement par jour, ces nombres ont été recueillis à partir de données du site web météorologique [31].

Tableau V.2 : heures d’ensoleillement de Marrakech

Le dimensionnement de l’installation se fait en général sur la base de la situation la plus désavantageuse. Le mois de l’ensoleillement sera le mois le plus défavorable, donc selon le tableau V.2 nous remarquons que le nombre d’heure le plus défavorable est Nh=7h/j.

Irradiation solaire et le mois de dimensionnement :

Pour définir le gisement solaire de la région, nous avons utilisé le site PVGIS AFRIQUE comme indiqué sur le tableau ci-dessous. On peut obtenir des estimations de l’irradiation mensuelle dans le site étudié, ainsi que des valeurs approchées pour l’inclinaison et l’orientation optimale.

Site : 31°62’48 » Nord, 8,05° Ouest, Elévation : 441m

Tableau V.3 : irradiation mensuelle du site Manara à Marrakech

Irradiation annuelle perdue à cause des ombres (horizontale) : 0.0 %

Avec : Hh irradiation sur un plan horizontal (Wh/m²/jour), Hopt irradiation sur un plan avec l’inclinaison optimale (Wh/m²/jour), DNI : l’irradiation normale directe(Wh/m²/jour), et Iopt angle d’inclinaison optimale.

Donc l’angle d’inclinaison optimal le long de l’année est de 31.

Cependant, le calcul est effectué pour le mois le plus défavorable de l’année qui est le mois de Décembre ayant l’irradiation la plus faible de 5,28 kW/m²/jour.

Inclinaison : β=31

Orientation=en plein sud ( Azimut =0).

Mois de dimensionnement : Décembre

Choix de la tuyauterie :

La conduite utilisée de l’entrée de la pompe jusqu’au point de refoulement dans le réservoir est de type PVC de longueur L= 67m et de diamètre dc= 80mm.

Calcul des pertes de charge

Pertes de charge linéaires

Les pertes de charge linéaires en pression (ΔHL) dues aux frottements entre le fluide et la paroi interne exprimées en (m) ou en mètres de colonne d’eau (mCE).

• V= 4𝑄 = 4∗24

= 1,32m/s

ΔHL

= f. ^L .^V²

d𝔀 2g

π.d² 3600∗π.0,082

• Pour déterminer le coefficient de pertes, nous allons utiliser l’équation de Moody. Calculons donc le nombre de Reynolds :

Re= 𝜌.^{𝑉.𝑑𝑐𝑖} = 1000.^1,32∗.0,08 = 105600. Il s’agit d’un régime turbulent. Le matériau est

µ 0,001

le tube PVC dont le coefficient de rugosité est ℇ=0.0015.

Voici dans le tableau suivant les valeurs de coefficients de rugosité de différents matériaux :

Tableau V.4 coefficients de rugosité

Donc on calcule f :

f = 0,0055 + ^0,15 = 0,0055 + ^0,15

= 0,045

3 𝑑𝑐

3 0,08

√

ɛ

Application numérique :

√0,0015

ΔHL

= 0,045. ⁶⁷ . ^1,32²

0,08 ²∗9,81

= 3,34m

Pertes de charge singulières :

Les pertes de charge singulières exprimées en hauteur de colonne ΔHS sont données par :

ΔHS

= k 𝑉² , et pour une coude d’angle 90, le coefficient de pertes de charges singulières k

2𝑔

est égal à 1,13.

Tableau V.5 : Coefficient de perte de charges singulières

Alors : ΔHS

= 1,13. 1,32² = 0,1m

2∗9,81

Donc la perte de charge totale est :

ΔH = ΔHL + ΔHS = 3,34 + 0,1 = 3,34m

Calcul de la hauteur manométrique totale

La hauteur manométrique est donnée par la relation suivante : Hmt = Hg + ΔH

avec Hmt la hauteur manométrique totale en (m), Hg la hauteur géométrique entre le niveau de refoulement de l’eau pompée et le niveau de pompage dans le puits en (m).

Hg = Hd + Hr respectivement la hauteur dynamique et celle de refoulement.

Dans le puits étudié, la pompe est mise à une profondeur statique de 50m avec un niveau de rabattement de 5m, donc la Hd=50+5=55m.

Et le niveau de refoulement de l’eau dans le réservoir est égal à Hr =7m. Donc :

Hmt = 55 + 7 + 3,34 =65,34m

Calcul des énergies

énergie hydraulique requise pour la pompe

L’énergie hydraulique est déterminée par:

Eh = 2,725*Q*Hmt AN : Eh = 2,725*72*65,34 = 12818 Wh/jour

Calcul de l’énergie électrique

L’énergie électrique consommée par la pompe est calculée par la relation suivante :

Eele = 𝐸ℎ = 12818 = 22647 Wh/jour

η𝑀𝑃

0,566

Dans notre cas, le rendement du groupe motopompe η𝑀𝑃 est égal à 56,6%. Voir annexe1.

Choix du groupe motopompe

La puissance consommée par le groupe motopompe est donnée par la relation suivante :

Pa = 𝜌.𝑔.Qh.𝐻𝑚𝑡

3600∗ 𝜂𝑀𝑃

Pa= 1000∗9,81∗.24∗65,34 = 7122 W

3600∗0,556

Choix de la pompe :

Pour notre étude, la motopompe est SP30-7 de Grundfos dont voici les caractéristiques :

– triphasée, U=[380-400-415 V]

• Puissance nominale P = 7,5 kW
• Intensité nominale I= [18,4-18,8-19,6 A] Voir annexe1.

Le choix de la pompe se fait selon nos besoins. Le débit horaire est de 24 m³/h, la hauteur manométrique totale est de 65,34m. Il s’agit donc d’une motopompe immergée (13 kW/380 VAC) (celle installée), adéquate avec les données du site à Marrakech.

Choix de l’onduleur

On a choisi le variateur triphasé SI10-T3/D5 de Veichi dont les caractéristiques : Plage de tension mpp : [480-780 V DC]

Puissance nominale : 7,5kW

Tension nominale de sortie : U = 380 V AC Courant nominal de sortie : 17 A

Nombre de MPPT : 1 Fréquence : [0-60 Hz] Rendement maximal : 96%

Il est compatible avec notre motopompe. Voir annexe2.

Choix du générateur photovoltaïque

Puissance crête délivrée par le champ

La puissance crête définit la taille du champ solaire à installer. Elle fixe la surface du capteur capable de fournir l’énergie nécessaire à la pompe, et elle est calculée pour :

• irradiation journalière du mois de décembre de 4,63 kWh/m²
• un rendement de motopompe de 56,6
• un rendement du variateur 95%
• un ratio de performance de 0,775 (généralement entre 0,7 et 0,8) par la relation :

P_c = ²²⁶⁴⁷ = 9868 kWc

0,8∗0,96∗0,566∗5,28

Composition du GPV :

Les modules choisis sont les modules polycristallins Futurasun 280Wc dont voici les caractéristiques :

Figure V.2 Plaque signalétique des modules Futurasun 280Wc

Nombre de panneaux

• Nombre de panneaux nécessaire : N= E (^𝑃𝑐 ) = E (⁹⁸⁶⁸ ) = 36 panneaux

𝑃𝑝

280

• Le nombre nécessaire de panneaux en série est déterminé par :

Le nombre minimal Nsmin = 𝑬 (𝑼𝒎𝒑𝒑,𝐦𝐢𝐧 𝒅𝒆 𝒍′𝒐𝒏𝒅𝒖𝒍𝒆𝒖𝒓 ) = 480 )= 18

𝐸 (

𝑼𝒎𝒑𝒑∗𝟎,𝟖𝟓 31,8∗0,85

Le nombre maximal Ns = 𝑬 (𝑼𝒎𝒑𝒑,𝐦𝐚𝐱 𝒅𝒆 𝒍′𝒐𝒏𝒅𝒖𝒍𝒆𝒖𝒓 780

max ) = 𝐸 ( )= 21

𝑼𝒎𝒑𝒑∗𝟏,𝟏𝟓 31,8∗1,15

On vérifie : Nsmax*Umpp = 21*31,8=667,8V < 780V( Umpp,max du variateur). On admet 21 panneaux en série.

• Le nombre nécessaire de panneaux en parallèle est déterminé par :

Np = 𝑬 ( 𝑵 ) = 2

𝑵𝒔𝒎𝒂𝒙

Alors on a le GPV constitué de deux chaînes de 18 panneaux, en total 36 panneaux.

42*280=10080 Wc > Pc

Choix des câbles :

Le câblage doit être capable de supporter les intempéries, il doit ensuite être de section suffisante pour que les chutes de tension n’affectent pas de façon significative le fonctionnement du système.

Pour les systèmes photovoltaïques concernant le pompage, la chute de tension acceptable maximale est égale à 3%.

• Pour les câbles AC :

La section nécessaire du câble est calculée selon la relation:

S= 𝟏,𝟐𝟓∗𝛒.𝐋.𝐈𝐀𝐂 . 𝐜𝐨𝐬(𝛟)

𝟎,𝟎𝟑𝐔

Le câble choisi est du cuivre dont : 𝛒 = 1,7.10^-8 Ω.m

L= 62m

cos(𝛟) = 0,67 ( Annexe)

AN : 𝑆 = 1,25∗1,7.10−8∗62∗17 ∗ 0,67 = 1,32 mm²

0,03∗380

• Pour les câbles AC :

La section nécessaire du câble est calculée selon la relation:

S = 𝞀.L.I

0,03.𝑈

Le câble choisi est du cuivre dont : ρ = 1,7.10^-8 Ω.m L= 10 m

I=1,25 *Np*Icc = 1,25*2*9,21 =23A U = Ns*Umpp = 21*31,8=667,8V

AN : S = 1,7.10−8∗10∗23

0,03∗667,8

= 19,5 mm²

Dimensionnement du réservoir

Puisque le pompage au fil du soleil n’est pas adapté à la demande d’irrigation de plantes, il est donc nécessaire de stocker la quantité d’eau pompée au milieu de la journée pour en profiter pendant le reste de la journée. La pompe va donc fonctionner le plus longtemps en stockant l’eau dans un réservoir suffisamment grand pour absorber la demande maximale en eau de la journée. Le volume de stockage est souvent déterminé de telle façon que le débit journalier constitue entre 60% et 100% de la capacité du réservoir.

Le pourcentage qu’on a choisi pour notre étude est : 100% pour garantir la fourniture des besoins journaliers en eau.

L’objectif ici est d’offrir la possibilité de répondre aux besoins en eau dans le cas où l’ensoleillement est insuffisant. Après calculs, la fiche de définition des caractéristiques du réservoir s’écrit :

Tableau V.6 : fiche technique du réservoir

Simulation de l’installation par PVSYST :

Introduction sur le logiciel :

PVSYST est un logiciel de dimensionnement des installations photovoltaïques permettant d’obtenir diverses informations telles que la production d’énergie,

l’irradiation solaire journalière, mensuelle et annuelle, les pertes d’énergies, le coût de l’installation, la surface nécessaire, ainsi que le taux de gain de CO2.

Un mode avancé permet d’obtenir beaucoup plus d’informations pour une étude très complète.

Le logiciel comprend principalement deux modes de fonctionnement. Le premier est une application de pré-dimensionnement assez simple à prendre en main. Le deuxième permet une étude beaucoup plus approfondie et prend en compte beaucoup plus de paramètres. De plus, il se base sur du matériel concret pour ses calculs, contrairement au premier mode qui effectue ses calculs pour un cas très général. Pour chacun des deux modes, le principe est le même : on donne la localisation géographique de l’installation, puis on entre les données concernant l’installation. Puis on visualise les résultats de simulation dans le rapport final y compris les figures, et tableaux des différentes variables.

Dans cette partie, nous allons faire une simulation sur PVSYST 6.82 de notre installation à Marrakech, puis on va discuter sur les résultats aboutis pour faire une comparaison entre les résultats de simulation et celles de calculs faites dans la partie précédente.

Figure V.3 : fenêtre d’accueil du PVSYST

localisation du site:

On détermine sur la carte géographique la localisation de l’installation, puis on visualise les données météorologiques correspondantes y compris les irradiations solaires du lieu.

Le site est à Manara à Marrakech 31,6 Nord, 8,06 Ouest, 445 m.

Figure V.4 : localisation du site dans PVSYST

Orientation des modules

On oriente les modules selon les angles :

• Inclinaison : 31
• Azimut : 0

Figure V.5 : orientation des modules

Détermination des besoins journaliers

Figure V.6 Détermination des besoins journaliers

Détermination du puits et du réservoir

Figure V.7 Données du puits et réservoir

Sélection des éléments du système

On choisit le type de chaque élément, conformément aux éléments choisis dans notre calcul.

• Motopompe : SP30-7 de Grundfos
• Onduleur SI10 7.5 de Veichi
• Modules polycristallins Futurasun 280Wc

Figure V.8 : Sélection de la pompe SP30-7

Figure V.9 : Sélection de l’onduleur et les modules

Résultats de simulation

Après avoir inséré dans le logiciel PVSYST 6.84 toutes les données nécessaires de notre installation de pompage solaire à Manara à Marrakech, et choisi les éléments du système, on fait une simulation pour visualiser tous les résultats sur toute l’année. Le logiciel affiche les résultats pour l’année 1990.

Figure V.10 : Principaux paramètres du système

Figure V.11 : Bilan et résultats principaux

Figure V.12 : Diagramme d’entrée/sortie journalier

Figure V.13 : Diagramme de pertes

Discussion des résultats de simulation

On discute le bilan des résultats pour une année :

• Au niveau du champ PV :

On constate au niveau du GPV que l’énergie nominale du champ PV au STC est de 23556 kWh : Mais avec des pertes totales au niveau du champ PV égales à 15,09%, l’énergie finale produite par le GPV est de 20152 kWh.

• Au niveau du convertisseur :

Avec des pertes totales au niveau du convertisseur de 5,5%, et pertes dues à énergie sous seuil de production pompe égales à 6,63%, l’énergie produite par l’onduleur est de :

17793 kWh

• Au niveau de la motopompe :

Avec une perte due à énergie inutilisée de 59,86 %, donc la puissance consommée par la pompe est : 7143 kWh, avec une énergie hydraulique de 4530kWh, le rendement de la pompe est de : 63,4%.

Et le volume d’eau pompée est de 26233 m³ sachant que le volume d’eau en besoin est de : 365*72=26280m³, il y a un manque total de 47 m³, donc un manque de 0,1%.

• Au niveau de la hauteur manométrique, on constate que la hauteur moyenne de pompage est de : 62,95m.

Comparaison avec les résultats de calcul :

• On calcule suivant le fonctionnement de l’installation : 3h par jours.
• Au niveau du champ PV :

Le besoin annuel en énergie est de 10080*3heures*365 =11037,6 kWh.

• Pertes au niveau des câbles :

On considère un taux de pertes de 0,5 % donc, l’énergie devient : 11037,6*0,95= 10485,72 kWh.

• Au niveau du convertisseur :

L’énergie annuelle produite par l’onduleur ayant un rendement annuel de 95% est de : 10485,72*0,95 = 9961,434 kWh.

• Au niveau de la motopompe :

L’énergie hydraulique annuelle utile à la pompe sachant que le rendement du moteur est de 72,3% (voir annexe) est de:

9961,434*0,723= 7202,11 kWh.

Or l’énergie annuelle consommée par la pompe selon PVSYST est de 7143 kWh, la différence est de :

7202,11-7143 = 59,11 kWh, donc pour chaque jour :

^59,11= 0,16 kWh/jour de différence.

365

Le logiciel donne l’énergie annuelle nominale du champ PV de 23556 kWh, et le fait qu’elle est différente de l’énergie annuelle du champ PV calculée qui est de 11037,6 kWh, donnant une différence de 12528 kWh, cette différence est due au fait que le logiciel calcule l’énergie pour toutes les heures de la journée, contrairement à notre calcul qui se fait pour 3 heures seulement. On peut calculer le nombre d’heures de calcul pour le logiciel :

H = ( ²³⁵⁵⁶ ∗ 3) = 6,13 ℎ𝑒𝑢𝑟𝑒𝑠.

11037,6

On conclut que les résultats sont proches, et les manques de :

• 47m³ /année en eau soit de 0,12m³/jour
• 59,11 kWh/ année soit de 0,16k Wh/jour

sont des pertes acceptables et sont dues au fait que notre calcul est fait pour une irradiation précise du mois de décembre, alors que le logiciel prend en compte toutes les irradiations le long de l’année et aussi les pertes prévues dues au faible ensoleillement.

Conclusion

On a traité dans ce dernier chapitre le dimensionnement d’une installation de pompage photovoltaïque à Manara à Marrakech et sa simulation sur PVSYST 6.82.

Dans la première partie, on a fait tous les calculs nécessaires pour les besoins journaliers et la puissance consommée par la pompe et le convertisseur et leur choix convenable, ainsi on a déterminé la puissance crête du champ PV ainsi que le choix des modules et leur nombre en série et en parallèle, et on a fini la première partie par le dimensionnement des câbles DC et AC.

Dans la partie de simulation, on a entré les données du système de l’installation, et on a visualisé les résultats de simulation et on a fait une comparaison entre les résultats de simulation et le calcul.

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² Définition donnée par l’article 62 de la loi sur les nouvelles régulations économiques (NRE) du 15 mai 2001. ↑

³ Auchan Les 4 Temps, La Défense. ↑

Questions Fréquemment Posées

Comment fonctionne un système de pompage photovoltaïque à Marrakech ?

Le système de pompage photovoltaïque à Marrakech fonctionne par la méthode dite « au fil de soleil », utilisant l’énergie d’ensoleillement journalière importante de la région.

Quels sont les besoins en eau pour un hectare d’oliviers à Marrakech ?

Pour un hectare, chaque olivier a besoin de 12L/h, donc le débit nécessaire pour 400 arbres est de 4800L/h.

Quelle est l’importance de l’irrigation durable pour l’agriculture marocaine ?

L’irrigation durable est essentielle pour l’agriculture marocaine, car elle permet de réduire les émissions et les coûts de maintenance tout en garantissant une exploitation conforme aux besoins des utilisateurs.

Comment est estimé le débit nécessaire pour un champ de 5 hectares ?

Le débit nécessaire pour 5 hectares est de 24000L/heure, ce qui correspond à 72m3/jour pour un agriculteur qui irrigue son champ 3 heures par jour.