Les applications pratiques du pompage solaire sont révélées dans cette étude qui analyse le dimensionnement d’un système photovoltaïque à Marrakech. Découvrez comment cette technologie innovante peut transformer l’irrigation durable et réduire les coûts tout en préservant l’environnement dans les zones arides.
Chapitre III
Composants d’un système de pompage solaire
Introduction
L’eau est une matière indispensable à la vie animale et végétale, et le besoin à une eau potable était toujours un défit majeur que l’homme confrontait pour assurer sa vie et même la vie des êtres vivants qui l’entourent. Il chercha de toute façon disponible à exploiter l’eau des rivières et l’extraire des forages.
Le pompage de l’eau a une longue histoire; tant de méthodes ont été développées pour pomper l’eau. L’homme a utilisé une variété de sources d’énergie, à savoir l’énergie humaine, énergie animale, l’énergie hydraulique, éolienne, solaire et les carburants comme le diesel pour les petits générateurs.
Mais la demande croissante sur l’eau dans les zones rurales et isolées des réseaux de distribution de l’eau, et du réseau électrique également, et l’élévation des prix des carburants des moteurs électriques comme le diesel ou le gaz butane, ont poussé à adopter une source d’énergie propre, simple et pas chère pour réaliser un pompage d’eau confortable et continu : c’est le soleil, on parle cependant du pompage solaire.
Le pompage solaire est donc, tout simplement, un système hydraulique pour pomper l’eau grâce à l’utilisation de l’énergie solaire.
Au Maroc, avec un pourcentage de 18,79% de la balance énergétique du pays, l’agriculture se base sur les ressources fossiles : gasoil, l’essence, le butane, le propane et en dernier lieu l’électricité. Par ailleurs, une grande partie des motopompes d’irrigation fonctionnant au gasoil sont converties par les paysans en gaz butane, du fait de son prix largement subventionné. Le ministère de l’Agriculture parle de plus de 100.000 ha irrigués par l’utilisation du butane. Selon le département de l’Energie, la consommation de butane dans l’agriculture est estimée à environ 800 ktep par an.
Méthodes de pompage solaire
En effet, le pompage solaire photovoltaïque se fait par deux voies :
-1 Pompage au fil du soleil :
L’alimentation électrique est disponible seulement dans les heures ou le soleil brûle, et l’eau pompée sera stockée dans un réservoir en fin de s’en servir dans la nuit ou en temps de soleil faible.
Figure III.1 : Système de pompage au fil du soleil
Le réservoir d’eau ne requiert pas un entretien complexe et est facile à réparer localement.
Pompage par stockage d’énergie :
Dans ce cas, le système dispose de batteries pour emmagasiner et fournir l’alimentation électrique à la pompe en cas de non production des panneaux d’énergie suffisante.
Mais cette technologie est moins confortable en termes des couts des batteries et leurs âge très court, el leur maintenance exigée et même elles diminuent après un certain temps le rendement de production électrique de 20 à 30%.
Figure III.2 : Pompage photovoltaïque par stockage d’énergie
Figure III.3 : débit du pompage au fil du soleil et en stockage d’énergie par batteries
Composants d’un système de pompage photovoltaïque :
La figure III-4 montre le schéma des différents composants d’un système de pompage photovoltaïque, il est constitué de :
- Un générateur lui-même composé de modules photovoltaïques, interconnectés électriquement pour constituer une unité de production de courant continu. Il comporte aussi une structure métallique pour supporter l’ensemble.
- Une unité de conditionnement de puissance, constituée d’un convertisseur (onduleur), capable de faire varier la fréquence et la tension de sortie en fonction de la puissance disponible du générateur solaire, elle-même fonction de l’irradiation solaire qu’il reçoit.
- Un groupe motopompe, constitué d’un moteur électrique à induction et d’une pompe centrifuge ou volumétrique.
- Un câblage électrique, par lequel transite l’énergie du générateur au moteur.
- Une infrastructure hydraulique qui conduit l’eau de sa source (souvent un puits ou un forage), jusqu’à un réservoir de stockage [14].
Figure III.4 : Schéma des composants d’un système de pompage photovoltaïque.
: Le générateur photovoltaïque :
Modules photovoltaïques interconnectés en une seule unité de génération d’électricité, montés sur des structures diverses (support ou châssis, toits et autres).
Figure III.5 : Shéma du générateur photovoltaïque
: pompe hydraulique :
-1 Introduction
On appelle pompe tout appareil qui aspire un fluide d’une région à basse pression pour le refouler vers une région à plus grande pression. Ainsi, d’après cette définition on peut dire que le rôle de la pompe consiste à
« augmenter la pression du fluide ».
L’augmentation de la pression du liquide véhiculé par la pompe a lieu à la suite de la transformation de l’énergie mécanique fournie par un moteur entraînant cette pompe en une augmentation de l’énergie hydraulique qui est acquise par le liquide entre l’entrée et la sortie de la pompe.
La pompe est toujours reliée à un moteur qui est la source de l’énergie mécanique du mouvement de la pompe, et l’ensemble est le groupe motopompe.
Il existe deux grandes catégories de pompes hydrauliques : volumétriques et centrifuges. Et selon l’emplacement de la pompe, en surface ou au profond de l’eau (immergée), on distingue les pompes à aspiration ou à refoulement.
La hauteur d’aspiration de n’importe quelle pompe est limitée à une valeur théorique de 9,8 mètres (pression atmosphérique en mètres d’eau) et dans la pratique à 6 ou 7 mètres ; les pompes à aspiration sont donc toujours installées à une hauteur inférieure à celle-ci. Ces pompes doivent également être amorcées, c’est-à-dire que la section en amont de la pompe doit être remplie d’eau pour amorcer l’aspiration d’eau.
Les pompes à refoulement sont immergées dans l’eau et ont soit leur moteur immergé avec la pompe (pompe monobloc), soit le moteur en surface et la transmission de puissance se fait alors par un long arbre reliant la pompe au moteur. Dans les deux cas, une conduite de refoulement après la pompe permet des élévations de plusieurs dizaines de mètres, selon la puissance du moteur.
Figure III.6 : Schémas de pompage photovoltaïque pour une pompe de surface et une pompe immergée
Introduction
La pompe volumétrique transmet l’énergie cinétique du moteur en mouvement de va-et-vient permettant au fluide de vaincre la gravité par variations successives d’un volume raccordé alternativement à l’orifice d’aspiration et à l’orifice de refoulement.
Les pompes volumétriques fonctionnent en deux temps : remplissage puis vidange d’un volume de liquide, d’où leur appellation. Elles permettent des pressions importantes pour des débits relativement faibles et nécessitent un moteur qui a un couple de démarrage important.
Une pompe volumétrique permet en général d’aspirer l’air contenu dans la tuyauterie, on dit alors qu’elle est auto-amorçante.
Principe de fonctionnement :
Un volume V0 de fluide emprisonné dans un espace donné (le récipient de départ) est contraint à se déplacer de l’entrée vers la sortie de la pompe par un système mécanique. Ce volume prélevé dans la conduite d’aspiration engendre une dépression qui fait avancer le fluide vers la pompe par aspiration. Cet effet confère aux pompes volumétriques d’être auto-amorçantes [17].
La pression d’aspiration ne doit pas s’abaisser en-dessous de la pression de vapeur saturante sous peine de voir le liquide entrer en ébullition. Ce phénomène peut d’ailleurs intervenir sur n’importe quelle machine. On obtient un débit théorique moyen proportionnel à la vitesse de rotation.
Par contre, si le volume aspiré ne peut s’évacuer dans la canalisation de sortie (vanne fermée, ou canalisation obstruée) l’augmentation de pression aboutirait soit à l’éclatement de la conduite, soit au blocage du moteur d’entraînement de la pompe. C’est pourquoi une soupape de sûreté doit être impérativement montée à la sortie de la pompe.
- : organe déplaceur,
- : espace de travail; Q : débit volumétrique, F : force de déplacement, A : surface,
p : pression de refoulement, s : distance de déplacement
Figure III.7 : Principe de fonctionnement d’une pompe volumétrique [17]
Le travail réalisé Ws est le produit de la force de déplacement F et de la distance de déplacement s. Cette équation peut également être écrite comme le produit de la cylindrée Vs par la pression de refoulement p :
Ws = F. s = A · p · s = Vs · p
La puissance transmise sur le fluide est calculée à partir de débit volumétrique Q et de la pression de refoulement p :
P = Q · p
Figure III.8 : Caractéristiques d’une pompe volumétrique
Types de pompes volumétriques :
On classe les pompes volumétriques en deux catégories : les pompes alternatives et les pompes rotatives. La plus connue des pompes alternatives est la pompe à piston ; Elle comporte une soupape d’admission et une soupape d’échappement, le pompage se fait en deux temps : aspiration puis refoulement, et le débit n’est pas régulier. Dans les pompes rotatives, le débit est régulier (pompes à engrenages, à lobes, à palettes). Cette deuxième catégorie de pompes a aussi l’avantage de ne comporter, en général, ni soupape ni clapet.
Figure III.9 : Schéma de pompe à piston et pompe à membrane [17]
Figure III.10 : Schémas de pompes volumétriques rotatives [17]
Introduction
Inventée en 1689 par le physicien Denis Papin, la pompe centrifuge, aujourd’hui la plus utilisée au monde, est une turbomachine tournante destinée à communiquer au liquide pompé une énergie suffisante pour provoquer son déplacement dans un réseau hydraulique comportant en général une hauteur géométrique, une augmentation de pression et toujours des pertes de charges.
Les pompes centrifuges constituent un système ouvert et en équilibre, où le fluide n’est jamais enfermé dans un volume totalement clos.
La pompe centrifuge reste le type de pompe industrielle le plus commun à cause de sa simplicité et de sa facilité d’exploitation. Et son débit de refoulement peut atteindre jusqu’à 15 m3/h.
Les pompes centrifuges sont composées d’une roue à aubes qui tourne autour de son axe, d’un stator constitué au centre d’un distributeur qui dirige le fluide de manière adéquate à l’entrée de la roue, et d’un collecteur en forme de spirale disposé en sortie de la roue appelé volute.
- : entrée
- : roue
- : volute
- : sortie
- : arbre de roue
Figure III.11 : vues de face et de coupe d’une pompe centrifuge [18]
- Principe de fonctionnement :
- La roue à aube est entraînée par l’arbre de transmission qui sort de la prise de mouvement.
- L’eau arrive à une pression minimum de 1 bar (pression atmosphérique) dans l’ouïe.
- La roue à aube en accélérant éjecte l’eau vers l’extérieur grâce à la force centrifuge.
- Les diffuseurs captent l’eau et l’orientent vers le collecteur de refoulement en transformant l’énergie cinétique en énergie potentielle.
- L’eau sort du collecteur avec son énergie potentielle qu’on appelle pression.
Description mécanique :
Un impulseur (roue munie de palettes) tourne à grande vitesse dans un corps de pompe, et imprime au liquide une vitesse et une force centrifuge, qui conduira à un débit et une pression à la bride de refoulement de la pompe. Le mouvement du liquide vers la bride de refoulement provoquera l’admission d’un volume équivalent à la bride d’aspiration.
Un impulseur unique permet de générer un relevage maximum de l’ordre 50 m pour une vitesse de rotation de 1500 t/mn [20].
Plus le diamètre de l’impulseur et la vitesse de rotation sont grands, plus le débit et le relevage seront grands.
Plusieurs impulseurs peuvent être montés sur le même arbre. On dit que la pompe est multi-étagée. Les hauteurs de relevage de chaque impulseur s’additionnent.
L’impulseur est généralement relié au moteur d’entraînement par un arbre. Alors que l’impulseur est en contact avec le fluide du procédé, le moteur est généralement à l’air libre. L’arbre doit donc traverser la paroie du corps de pompe sans autoriser aucune fuite du fluide du procédé. Ceci est obtenu par un système d’étanchéité complexe du type presse-étoupe ou du type garniture mécanique.
Lorsqu’une étanchéité parfaite est requise, le passage de l’arbre à travers la paroie de la pompe est supprimé.
Deux technologies sont disponibles :
- L’entraînement magnétique; l’impulseur à l’intérieur du corps de pompe étanche et l’arbre moteur à l’extérieur sont couplés au moyen de deux aimants permanents. La puissance de telles pompes est limitée par le couple mécanique qui peut ainsi être transmis.
- Le rotor noyé; le moteur d’entraînement et l’impulseur sont inclus dans la même enceinte contenant le fluide procédé. Le fluide procédé doit donc être capable d’assurer le refroidissement du moteur. La seule connexion avec l’extérieur qui subsiste et pour laquelle on doit assurer l’étanchéité est le passage du câble d’alimentation électrique du moteur [20].
Les caractéristiques des pompes centrifuges sont très différentes des précédentes :
- Le couple de démarrage est faible, principalement lié à l’inertie des éléments mobiles.
- La pompe offre, pour une vitesse donnée, différentes possibilités de débit et de pression.
Une pompe centrifuge est mal adaptée pour de faibles débits et de grandes hauteurs contrairement à sa cousine volumétrique. Signalons aussi que la pompe centrifuge ne peut pas aspirer l’air et n’est pas donc auto-amorçante.
Figure III.12: Caractéristiques d’une pompe centrifuge
- Classification de pompes centrifuges :
Selon le type de la roue :
Les pompes sont souvent classées par le type de roue qu’elles utilisent, on distingue [21] :
- Roues radiales ou « centrifuges » : Les roues radiales agissent en déplaçant le fluide hors de la pompe « radialement » ou perpendiculaire à l’axe de la pompe. Elles génèrent des débits faibles allant jusqu’à 20 – 30 m3 / h, pour des Htm élevés. Elles sont également utilisées dans la plupart des pompes à un étage.
Figure III.13 : roue radiale ou centrifuge
- Roues semi-radiales : Les roues semi-axiales sont semblables aux roues de flux radiaux, mais soumettent le fluide à un degré de flux radial afin d’améliorer le rendement. Les roues à flux semi-axial peuvent gérer des flux plus importants que les roues radiales, et les pompes avec des roues à flux semi-axiales sont généralement utilisées pour des objectifs plus vastes d’admission ou de distribution d’eau dans l’adduction en eau, l’irrigation et les applications de refroidissement.
- Roues axiales : Une roue axiale est essentiellement une unité composée d’une hélice et d’un arbre moteur, logée dans un tube. L’hélice déplace simplement le liquide à travers le long du tube. Les roues axiales ne génèrent pas beaucoup de pression, donc pour des faibles Hmt, mais elles sont très bonnes pour fournir un débit élevé (plus de 40 000 m3 / h). Les pompes avec roues axiales sont principalement utilisées pour les liquides de recirculation entre les réservoirs des usines de traitement des eaux usées, et pour les applications de contrôle d’inondation où de grands volumes d’eau doivent être pompés à faible pression [21].
Figure III.14 : a) roue semi-radiale b) Roue axiale
- Roues Vortex : Une roue vortex crée des tourbillons dans le carter de la pompe qui déplacent les fibres, les matières solides et le sable à travers la pompe. Ce qui rend ces roues idéales pour la manipulation de liquides avec des fibres longues, des particules et du sable abrasif. Les pompes à roues vortex sont normalement utilisées dans des applications d’assainissement plus petites avec de grandes quantités de fibres et de sable [21].
Figure III.15 : Roue Vortex
Selon le nombre de roues ou étages :
- A un étage : Dans la pompe centrifuge à un étage, une roue est utilisée dans l’arbre de la pompe. Ce type de pompe est utilisé lorsqu’une faible pression est requise.
- A deux étages : Pour obtenir une charge moyenne en raison du débit de la pompe, deux impulseurs ou roues peuvent être utilisés en série dans un seul arbre.
- A plusieurs étages : Lorsqu’une hauteur de charge et une sortie de décharge élevées sont requises, plusieurs nombres de roues peuvent être utilisés dans un seul arbre.
Figure III.16 : pompe centrifuge a) à un seul étage ; b) à cinq étages
Choix de pompe :
Les pompes volumétriques à main peuvent s’avérer plus intéressantes pour de petites hauteurs et de faibles débits journaliers (Hmt*Q<25 m4). L’utilisation de pompes mécaniques sur cette plage d’utilisation se limitera principalement aux pompes volumétriques de faible puissance.
Il est conseillé d’utiliser des pompes à aspiration pour les hauteurs de moins de 7 mètres ce qui correspond généralement au type centrifuge à ailettes. Pour de faibles débits et une puissance disponible variable (par exemple, couplage éolien), l’emploi d’une pompe volumétrique permet un débit plus constant. Pour une hauteur moyenne, comprise entre 10 et 50 mètres, la pompe immergée centrifuge est généralement la plus efficace. Mais son rendement
est très étroitement lié à la hauteur et son dimensionnement est critique. Pour les hauteurs supérieures à 35 mètres et de faibles débits journaliers (<20m3), la pompe volumétrique sera la plus utilisée. Pour des débits plus élevés, l’emploi d’une pompe centrifuge est souvent le seul choix possible [22].
Figure III.17 : Choix d’une pompe selon la hauteur et le débit demandés [22]
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17 Wikipédia, dernière modification le 15 mai 2021. ↑
20 Author Name, Title, Year, p.123. ↑
21 Wikipédia, dernière modification le 15 mai 2021. ↑
22 Wikipédia, dernière modification le 15 mai 2021. ↑
Questions Fréquemment Posées
Quelles sont les méthodes de pompage solaire au Maroc?
Le pompage solaire photovoltaïque se fait par deux voies : le pompage au fil du soleil et le pompage par stockage d’énergie.
Quels sont les composants d’un système de pompage photovoltaïque?
Un système de pompage photovoltaïque est constitué d’un générateur photovoltaïque, d’une unité de conditionnement de puissance, d’un groupe motopompe, d’un câblage électrique et d’une infrastructure hydraulique.
Pourquoi le pompage solaire est-il important pour l’agriculture au Maroc?
Le pompage solaire est important pour l’agriculture marocaine car il permet une source d’énergie propre et économique pour l’irrigation, réduisant ainsi les émissions et les coûts de maintenance.