Thème : Système Photo-Voltaïque : Dimensionnement pour
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1. Alors se posent les probl mes de l ajustement de la caract ristique U I de la moto pompe par rapport celle du syst me PV En effet la moto pompe fonctionne sous une certaine tension admettons 120 Volts Il faudrait placer au moins 7 7x15v 105v modules solaires en s rie pour obtenir cette tension Cependant 7 modules solaires de 50W ne font que 7 x 50 350Wc Il faut au moins deux branches en parall le 350 350 700W Ici nous pouvons reprendre la courbe et faire la d marche inverse Partant de 700Wc nous coupons la courbe d ensoleillement et remontons sur la courbe HMT pour lire un d bit de 43m environ Si le d bit de 43m s av re trop faible il faudra placer 350 Watts de modules solaires suppl mentaires soit 1050 Wc et recommencer la lecture sur la courbe Cela donne un d bit de 80m par jour avec 21 modules solaires photovolta ques System Pertormance Motres hon m fm mc 240 sant O D ON O De OF LE E SE EDR CN ES Co GS es OR MR ARE OS RE 2 me a AAA EN Et tt ni woj D ON ST LT ET el AS ES ON D I ES ONE EE a ES gt met LT ET RE LE Le al LIEU TC EL AT PE a P ET OL rs ATA D a oo VE ES VE EE EE j BA EL a dl EL EEE 777 Ann ARE ARE OS ME RS RS ave EL HE LE LE LE 1 I EE II E amp E TT i s00 E 0 LE LOU D 0 E E 1 1 TL D coco ANS LE 1 1 1 RL EN OS RS OS MS GORE CRE DRE DRE RTE O ARNS Sae l l a A TY DURS SNS NS M D E D M 13001 1 M IN IN I INIST TT2. adapter la puissance absorb e celle fournie par les panneaux De plus un dispositif g r par microprocesseur permet d utiliser en permanence les panneaux leur puissance maximale Enfin l onduleur est dot d un ensemble de protections chauffement surintensit s baisse de niveau de l eau dans le forage ainsi que d un syst me d arr t lorsque le r servoir est plein Sa construction robuste et tanche le choix de composants prouv s lui conf rent une tr s grande fiabilit dans les conditions d utilisation les plus s v res Ne pas oublier les protections contre la foutre V 2 INCLINAISON DES PANNEAUX IV 2 1 Position du soleil L inclinaison des panneaux est e fonction de la latitude du lieu de Pa PAST l installation Elle doit tre faite de Fa bo sorte que la direction des rayons p r S venants sur les panneaux soit le plus r a proche possible de la normale DE p L id al serait que les panneaux suivent la course de soleil cependant une inclinaison ad quate peut constituer un meilleur compromis En effet les pertes li es au fait de WN gt lt a linclinaison statique n exc dent pas No NCA 10 si cette inclinaison statique des gt ir d panneaux est optimis e d o l int r t lt pa Errrri E Droe de l tude soigneuse que n cessite ns cette inclinaison Fig22 Mouvement du soleil 31 La position du soleil est d finie par 2 param tres qui sont l angle d
3. de Ouagadougou pour vos travaux qui ont t une source d inspiration pour ce M moire et pour votre disponibilit et votre participation ce jury Je vous remercie Monsieur Abdoulaye OUEDRAOGO Ma tre Assistant l Universit de Ouagadougou pour votre disponibilit et votre participation ce jury Je t moigne ma reconnaissance tous les enseignants de l AEA Je vous remercie Dr Idrissa F BARRO pour votre disponibilit et votre soutien ce travail Je vous remercie Dr Issa ZERBO pour votre disponibilit et votre soutien ce travail Je vous remercie Monsieur Fran is S KAM doctorant du LAME pour votre contribution et votre soutien pour la conduite de ce travail Je vous remercie chers a n s doctorants du LAME en particulier Monsieur Bernard ZOUMA et Monsieur Martial ZOUNGRANA Je remercie le Comit Acad mique Pour la Recherche des Principes WCARP Burkina notamment sa Pr sidente Madame Mau Ngoma ILBOUDO pour m avoir inspir postuler pour ce DEA et pour son soutien moral et mat riel tout au long de ce travail Je remercie la soci t TECHNOVA et son Directeur Monsieur Christophe SANON pour sa contribution substantielle aux frais de laboratoire et pour avoir permis des recherches par le biais de son entreprise Je remercie tous mes Camarades chercheurs du LAME Plan de Travail ROMENA TUV G Sa a a nd aude 5 Tro duc ON anea O 7 T Schemas et description du principe 22e messes destin
4. IV 1 Quelques mots sur l onduleur ss 30 IV 2 Inclinaison des panneaux s sessesesesesessnsesesesensesesesensssesesensssesesensrsssesensnsesesesenss 30 IV 2 t POSIN ONM AU SOIE nn nu mo 30 IV 2 2 Orientation des panneaux par rapport au soleil 31 IV 3 Calcul de l ensoleillement dans le plan du champ PV 33 IV 3 1 Angle d incidence du rayonnement sur les panneaux ssessess1s00s 33 IV 3 2 Ensoleillement dans le plan du champ PV 34 IV 4 Mod lisation du champ photovolta que 35 Conclusion et PERSDECIIVES nn ramadan ni on 36 BIDMOG QDNIE a en 37 NOMENCLATURE Signification Azimut Alb do Heure solaire Facteur d ajustement concernant l effet des conditions climatiques jour et nuit fraction de sol couverte par la plante variant de 0 1 1 couverture totale Coefficient de correction de l inclinaison des panneaux Chaleur sp cifique pression constante 1 013 10 Pression de vapeur actuelle de l air D ficit pression de vapeur Pression de vapeur saturant vaporation physique d un grand r servoir pouvoir vaporant de l air approch par la formule de Rohwer Energie Electrique Fournie par le syst me PV Evaporation du bac vaporim tre vaporation mesur e sur bac Colorado Energie Hydraulique Energie de la Pompe Evapotranspiration de r f rence Evapotranspiration Potentielle Fonction du vent Constant de gravit Flux de chaleur du sol Hauteur Hauteur angulaire ensoleill
5. aliser des installations d appoints connect es au r seau De plus en d pits du co t d installation qui peut s av rer cons quent l nergie solaire reste tr s comp titive par rapport aux autres formes d nergies et cela malgr le faible taux d ensoleillement de ces pays d velopp s qui ont majoritairement un climat temp r Dans les pays en voie de d veloppement qui sont pour la plupart quatoriaux ou tropicaux donc tr s ensoleill s et qui ont beaucoup de localit s o le r seau lectrique est absent l nergie Photovoltaique devrait tre par cons quent sans concurrence Cette r alit est encore plus accentu e dans le cas d applications au pompage d eau dans les pays sah liens tels que le Burkina Faso du fait de l ad quation entre la demande maximale en eau et la disponibilit optimale de la ressource solaire Cependant il est constater que le pompage d eau dans les tats sah liens se fait g n ralement dans le but de satisfaire les besoins des populations et du b tail en eau potable dans les r gions o aucun r seau de distribution d eau n est pr vu ou parvenu Pour se faire un choix plut t judicieux se porte sur les pompes manuelles Le d fit du d veloppement des tats sah liens passe galement par le d veloppement de l agriculture Il faut admettre que ces tats connaissent habituellement des saisons pluvieuses courtes de 3 4 mois parfois irr guli res ce qui occasionne des mauvaises r c
6. un contr le plus ou moins pr cis du d bit que l on souhaite avoir au niveau des goutteurs Par ailleurs un compromis est trouver concernant ladite hauteur de la cuve de stockage car plus la cuve est haute plus avec 1m de pression et qui a t compos de tuyaux fabriqu s localement Insertion Tube avec goutteurs en ligne il va falloir utiliser une pompe de grande puissance pour tirer l eau du forage jusqu elle La solution du moindre co t impose une cuve m me le sol Pour se faire des m thodes d irrigation goutte goutte ne n cessitant pas une grande l vation de la cuve se d veloppent on peut num rer quelques unes telles que La m thode Pepsi Drip et sa variante Easy Drip Elles n cessitent une hauteur de bassin de 1 5m 3m La m thode Nica Drip fig13 peut fonctionner avec des pressions de cuve d eau 0 5m Des cuves m me le sol peuvent ainsi tre construites avec des mat riaux simples et peu co teux Ces m thodes d irrigation goutte goutte sont recommand es pour les petits producteurs petit budget travaillant sur des petites surfaces Ces m thodes utilisent g n ralement des mat riaux locaux les installations de drainage sont faites en tuyaux souples d une dur e de vie allant d une ann e pour le Pepsi Drip 5 ans Nica Drip Le bassin peut tre construit en ferro ciment Ces m thodes d irrigation ont pour inconv nient majeur
7. cin tique celui ci L nergie cin tique est ensuite transform e en nergie de pression Les caract ristiques des pompes centrifuges sont Le couple d entra nement de la pompe est pratiquement nul au d marrage Particuli rement int ressant dans le cadre de l utilisation des modules photovolta ques car la pompe tourne m me par tr s faible ensoleillement n y a pas ou presque pas d aspiration Elles doivent tre amorc es pour fonctionner de mani re viter tout risque de destruction si fonctionnement sec Certaines sont auto amor ant Peuvent tre immerg es ou de surface Plusieurs tages cage roue ailettes peuvent tre superpos s pour obtenir de grandes pressions Figs pompe centrifuge I 1 2 Les pompes volum triques Les pompes volum triques encore appel es pompes cavit progressive fig6 utilisent les variations de volume du fluide pomp pour obtenir un accroissement de pression Le fluide est d abord aspir par l accroissement d un volume puis refoul par diminution de ce m me volume Les pompes volum triques utilis es le plus couramment sont les pompes pistons palettes et B engrenages Te Leurs principaux atouts sont les suivants EN Elles sont destin es aux faibles d bits inf rieur 5 m h et FA aux grandes hauteurs Elles ont de bons rendements et les pompes de surface sont T auto amor antes Le couple de d marr
8. micro irrigation On l appelle irrigation par infiltration lorsqu elle est r alis e au moyen de tuyaux filtrants enterr s L irrigation goutte goutte se d veloppe de plus en plus dans le but de palier la raret de l eau Elle se caract rise par un apport d eau localis fr quent et continu utilisant des d bits r duits des faibles pressions Seule la fraction du sol exploit e par les racines est continuellement humect e Cela permet une r duction de l vaporation une meilleure conservation de la structure du sol et une r duction des mauvaises herbes Ce syst me permet aussi d exploiter des champs topographie et configuration irr guli res des sols lourds qui se fissurent en t ou des sols l gers filtrants La fr quence lev e des arrosages permet une dilution des sels pr sents dans la solution du sol sous le distributeur et un maintien des sels la p riph rie du bulbe humect 4 8 D ES 1 3 3 10 Legende V PRE Station 5 6 9 3 3 PP 1 Source d eau 2 R gulateur de pression 3 Manometre Porte 4 Ventouse rampes 5 Station de filtration DR 6 Clapet anti retour O E An Ge A og R seau de 7 V anne distribution Mat riel d injection d engrais Rampes 9 Vanne de r gulation de pression idi 10 Filtre disque Fig7 Sch ma d un r seau d irrigation 13 Le r seau d irrigation fig est compos d une station de t te qui compr
9. moto pompe est compos d un moteur courant alternatif mono bi ou triphas ou courant continu commutation lectronique qui est coupl une pompe centrifuge tages multiples ou une pompe volum trique ou autre suivant le d bit recherch La pompe centrifuge transmet l nergie cin tique du moteur au fluide par un mouvement de rotation de roues aubes alors que la pompe volum trique transmet l nergie du moteur par un mouvement h lico dale qui permet litt ralement de propulser l eau la surface Les syst mes propos s sont compos s de modules photovoltaiques mont s sur un ch ssis de support 2 inclin suivant la latitude du site afin d optimiser la production photovolta que ou rotatif suivant la course du soleil Le dispositif est compl t par le convertisseur statique 3 mont en surface et qui permet la conversion du courant continu produit par le champ solaire en courant alternatif ou continu pour alimenter le Ch ssis m talliques CES QE reU R servoir Colonne montante moteur coupl la pompe Fig2 Le syst me de pompage peut tre entra nement direct ou piles Les dessins de la page suivante illustrent les composantes de chaque type de syst me fig3 10 Panneaux solaires interrupter flotteur tes interrupteur flotteur re r servoir d eau minuterie r gulateur de la POMPE Conduite d vacuation R gulateur de la pompe
10. tood LL IN ININ RE SES LL A T T 15001 LL LAIT VON IS IIS L S o teoo 1 LL LIL NN INIST D 17001 M_I DNS IN 11 isopod LL LL k IN A TNM _ ANADA I 1 20 3 0 4 5 0 6 0 7 0 6 0 9 0 WW kiAhimi day irradiation On tlltod euriace Fig 19 Courbes caracteristiques d une pompe centrifuge et dimensionnement PV travers l tude graphique nous pouvons situer o se trouvera la difficult du dimensionnement en effet la m thode ne consiste pas seulement faire le calcul d une puissance mais il faudra s assurer que l agencement des panneaux permettra de satisfaire cette puissance et cela du fait de l imposition de la tension d alimentation des moto pompes 27 ITI 2 2 Dimensionnement par la m thode analytique Le mod le pour les syst mes de pompage de l eau est bas sur les quations de Royer et Coll 1998 comme le montre l organigramme fig20 la demande nerg tique hydraulique quotidienne Enyar en J correspond l nergie n cessaire pour lever une hauteur h en m un volume quotidien Q en m i avec n un facteur qui tient compte des pertes de charges E a 86400 x px gxQOxhx 1 7 10 h x 1 n peut tre remplac par h nm dans l quation 10 avec Nm les pertes de charges en m tre L nergie hydraulique se traduit en une demande d nergie lectrique Emoto pompe par E moto pom pe Electrique E pyar ae O 11 l moto pompe moto pompe O MNmoto pompe est le rende
11. LA METHODE DE DIMENSIONNEMENT Deux principaux objectifs sont vis s en ce qui concerne le dimensionnement de notre syst me solaire ici tudi et destin aux pays sah liens l conomie d eau et l conomie financi re Autrement dit un syst me photovolta que pour le pompage d eau pour une irrigation goutte goutte bien dimensionn doit pouvoir combler les besoins en quantit d nergie qu on en attend tout en tant le moins co teux tant au moment de son installation que dans sa phase de production et doit fonctionner pendant une p riode raisonnable garantissant son amortissement C est pourquoi trois 3 phases ont t d tect es pour parvenir un dimensionnement optimal 1 Phase D termination des besoins en eau du champ irriguer Cette phase n cessite une connaissance du type de plantes irriguer de la nature des sols du type d irrigation goutte goutte choisi et des conditions atmosph riques vents humidit etc A cela on associera toutes les pertes d eau dues l vaporation lorsque le bassin de r tention est ouvert Un choix sur l autonomie recherch e doit tre fait pour d finir une capacit de stockage d eau Le d bit recherch au niveau des goutteurs peut conditionner la hauteur de stockage 2 Phase Dimensionnement et choix du type de motopompe Cela est fonction de la profondeur du forage de la hauteur de stockage du d bit de pompage recherch de son alimentation lec
12. S SOLAIRES Conf rence GRDR St Mamert 2002 5 RETScreen International Minist re des Ressources naturelles ANALYSE DE PROJETS D INSTALLATION PHOTOVOLTAIQUE Canada 2001 2004 6 Hassan ELATTIR Institut Agronomique et V t rinaire Hassan II LA CONDUITE ET LE PILOTAGE DE L IRRIGATION GOUTTE A GOUTTE EN MARAICHAGE Mensuel MADRPM DERD N 124 Rabat Janvier 2005 7 Agriculture et Agroalimentaire du Canada ARAP LES SYSTEMES DE POMPAGE A ENERGIE SOLAIRE POUR L ABREUVEMENT DU BETAIL 01 d cembre 2006 8 CIP CSP LE POMPAGE AU FIL DU SOLEIL Constitution d un syst me de pompage photovolta que 9 A Ibrahima A Schmitt A Guillerminet EIER Ouaga A Mermoud EPFL Lausane BILANS HYDRIQUES SUR SOLS LATERITIQUES DU PLATEAU MOSSI Etude compar e d un sol sous culture non labour et labour billons cloisonn s Ed AUPELF UREF John Libbey Eurotext Paris 1991 10 Ludovic Oudin RECHERCHE D UN MODELE D EVAPOTRANSPIRATION POTENTIEL PERTINENT COMME ENTREE D UN MODELE PLUIE DEBIT GLOBAL Th se de Doctorat de PENGREF Paris 29 octobre 2006 11 S Bouhlassa et S Par Fac MoahmedV EVAPOTRANSPIRATION DE REFERENCE DANSLA REGION ARIDE DE TAFILALET AU SUD EST DU MAROC Ed AJEAM RAGEE Vol 11 Avril 2006 12 Netherlands Water Partnership 3e Forum de Tokyo L EAU DES SOLUTIONS SIMPLES ET ECONOMIQUES Tokyo Mar
13. UNIVERSIT DE OUAGADOUGOU BURKINA FASO UNITE PROGRES JUSTICE UNITE DE FORMATION ET DE RECHERCHE EN SCIENCES EXACTES ET APPLIQUEES UFR SEA DEPARTEMENT DE PHYSIQUE LABORATOIRE DES MATERIAUX ET ENVIRONNEMENT LAME ANNEE UNIVERSITAIRE 2005 2006 MEMOIRE Pr sent par Mr KY Thierry S Maurice Pour obtenir le DEA en Physique Appliqu e Option Semi conducteurs Pr sent et soutenu publiquement le 17 f vrier 2007 Sous la Pr Fran ois ZOUGMORE Ma tre de Conf rence Direction du Pr sident du jury Pr Dieudonn J BATHIEBO Ma tre de Conf rence Membres Pr Zacharie KOALAGA Ma tre de Conf rence Pr Fran ois ZOUGMORE Ma tre de Conf rence Dr Abdoulaye OUEDRAOGO Ma tre Assistant Au Dent Comiq Aux Vaaia Danents du Ciel et de la Tere toute ma Famille Spirituelle et Physique Remerciements Je vous remercie Monsieur Fran ois ZOUGMORE Ma tre de Conf rences l Unit de Formation et de Recherche en Sciences Exactes et Appliqu es Responsable du Troisi me Cycle de Physique pour m avoir accept dans votre laboratoire pour la direction de ce travail et pour votre participation ce jury Je vous remercie Monsieur Dieudonn J BATHIEBO Ma tre de Conf rences l Universit de Ouagadougou pour votre disponibilit et votre participation ce Jury que vous avez bien voulu pr sider Je vous remercie Monsieur Zacharie KOALAGA Ma tre de Conf rences l Universit
14. age d une pompe volum trique de 3 5 fois le couple nominal et la caract ristique f V de ce type de pompe font que son fonctionnement en direct sur un panneau photovolta que n est pas conomiquement viable Pour palier au probl me de surdimensionnement du g n rateur r sultant de cette inadaptation un adaptateur d imp dance est utilis pour permettre un rendement aussi lev que possible de l ensemble du syst me F i g G pompe volum trique 12 I 1 3 Les pompes de surface et les pompes immerg es Le choix d une pompe se fera en fonction des caract ristiques hydrauliques de l installation envisag e d bit hauteur manom trique totale etc mais galement en fonction des conditions particuli res d utilisation puits forage pompage de rivi re etc Une pompe pistons plac e en surface ne pourra pas relever l eau au del d un maximum th orique de 10 33 m tres Au del de cette hauteur il faut s orienter vers une solution de pompe immerg e Cependant on peut utiliser des pompes centrifuges avec une pression absolue l aspiration inf rieure 1 MPa Les pompes immerg es peuvent extraire de l eau plusieurs centaines de m tres Les pompes centrifuges qui ont une forme adapt e aux puits et qui peuvent d biter forte pression sont souvent utilis es l 2 DEFINITION GENERALE D UNE IRRIGATION GOUTTE A GOUTTE L irrigation goutte goutte est appel e aussi irrigation localis e ou
15. ant le choix d une moto pompe d pendent de plusieurs facteurs importants le type de pompe voulu le type et la caract ristique U I du moteur la puissance n cessaire pour le pompage la hauteur manom trique totale de l installation etc Ce choix n cessite la connaissance de la profondeur de la source d eau Une optimisation du choix et de dimensionnement suppose un inventaire tendu de toutes les caract ristiques des moto pompes commercialis es sur le march L analyse est peu pr s identique pour le choix et le dimensionnement des panneaux solaires leurs caract ristiques constructeurs de tension et puissance tant variables d un mod le un autre un inventaire des panneaux commercialis s s impose De cette mani re les caract ristiques U I des panneaux et celles des moto pompes peuvent tre compar es ais ment pour une optimisation du choix et de l agencement des panneaux Finalement le positionnement des panneaux solaires ainsi que la d termination de la surface n cessaire pour le bon fonctionnement de la pompe peuvent tre calcul s Ceux ci n cessitent quelques connaissances des param tres g ographiques du site ainsi que de son ensoleillement Cette tude a galement montr la n cessit de disposer d informations m t orologiques pr cises historiques et actuelles tant pour le calcul des besoins en eau du champ irriguer que pour le calcul et le dimensionnement des panneaux Dans le cas contraire l impl
16. antation d un vaporim tre d appoint ou d une mini centrale m t o doit tre envisag e Dans le cadre d un projet d irrigation des informations sur la composition et la nature des sols les besoins en eau de chaque culture et la profondeur des nappes phr atiques doivent tre galement disponibles Des logiciels de dimensionnement sont d j propos s par les fabricants de pompes solaires et de panneaux PV mais les carts de r sultats trahissent le manque d optimisation Mr J C Scholle a propos une comparaison de quelques uns de ces logiciels Les perspectives doivent videment conduire l laboration d un logiciel de dimensionnement plus optimis car s appuyant sur une base de donn es des moto pompes et des panneaux solaires ainsi que sur des donn es m t orologiques ou des relev s sur site fiables Enfin une optimisation financi re peut galement tre envisag e 37 BIBLIOGRAPHIE 1 Fondation Energie pour le monde et Peuples Solidaires ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTA QUE Paris 2005 06 2 C Daux et C Lusseau Sciences de l Ing nieur EduSCOL ENS ARCHITECTURE DE LA CHAINE D ENERGIE DE POMPAGE DE L EAU BRUTE Cachan 01 janvier 2004 3 J C Scholle LE DIMENSIONNEMENT D INSTALLATION SOLAIRE PHOTOVOLTA QUE Identification valuation et comparaison de quelques outils de dimensionnement Pau 4 mai 2006 4 ENERGIES NOUVELLES ENTREPRISES LES POMPE
17. arrage du fonctionnement de la moto pompe est fonction du type de celle ci et de la profondeur de pompage 29 HI 2 1 Dimensionnement par la m thode graphique Cette m thode graphique a pour but de partir de l tude d un cas particulier de dimensionnement afin de d gager une m thode g n rale Cette m thode s appuie sur des abaques qui accompagnent g n ralement les moto pompes Elle pour pertinence le fait qu elle est l une des m thodes recommand es par les constructeurs L abaque de la fig18 est celui d une moto pompe m3 sh centrifuge Il indique pour 30 une moto pompe donn e 28 les d bits obtenus pour 25 chaque puissance fournie 244 par les modules solaires 22 photovoltaiques On peut 20 a Si e Average Values M tres hoad constater par exemple qu avec une puissance de 8 es sortie de 175 watts environ 14 A 2 lt E F WA N NN AA AN N cette moto pompe d bite 42 6m l heure 2 m tres de 4 HMT hauteur amp Y A ES manom trique totale 2m el SZALA A 5 m tres et Om pour les aJ _V A 72 autres hauteurs Avec une 2 y PA puissance de 400 watts on 0 OMIA I 1 3 3 a f i obtient 13m a 2 m 10m 0 200 400 600 600 1000 1200 1400 1600 1800 2000 om ma m 55m 9 m Am atim2ma13m Fig18 caract ristique de fonctionnement et enfin Om 13 m d une pompe centrifuge On peut remarquer que pour ce type de moto pompe
18. consid r e comme un g n rateur de courant Le courant g n r d pend essentiellement de Front elecirode N type silicon P P typa silicon B Fig8 sch ma de principe l clairement W m et de la temp rature d quilibre de la cellule PV fonction de la temp rature ext rieure et de la vitesse de l air ambiant La tension est fonction des Courant Point de puissance maximum 1 000 w m S i V 750 w m Le 500 w m 100 wim s a O Tensio N Fig9 Caract ristique U I 29 mat riaux constitutifs de la cellule Le fonctionnement d une cellule peut tre repr sent par un r seau de courbes qui indique l volution du courant g n r par la cellule en fonction de la tension aux bornes de la cellule fig9 Chaque courbe est fonction notamment de l clairement et de la temp rature ext rieure ou de la cellule Un panneau solaire est l assemblage en s rie et en parall le des cellules PV Cet assemblage permet d obtenir les tensions et les intensit s souhait es par exemple des panneaux de 12 Vcc 24 Vcc ou plus A titre indicatif 72 cellules de 10 2 mm par 10 2 mm en silicium poly cristallin assembl es en 8 s ries parall les de 14 cellules constitueront un panneau capable de produire environ 120 W m soit environ 24 V 5 Ceci pour un clairement solaire de 1000 W m une temp rature ambiante de 25 C et un spectre solaire de 1 5 15 l 4 PRESENTATION DE
19. d avoir une forte proportion de goutteurs qui se bouchent du fait m me des petites pressions utilis es Pour une irrigation goutte goutte semi industrielle il faut s acheminer vers la mise en place d installations avec des tuyaux de qualit sup rieure des goutteurs industriels et surtout une r tention d eau une hauteur plus importante Le r glage du d bit et donc de la pression se fera par des dispositifs judicieusement implant s tout au long de la cha ne de drainage 21 3 Un dispositif de r tention est finalement n cessaire pour les p riodes d ensoleillement insuffisant Une quantit d eau suppl mentaire doit tre tudi e en fonction de l autonomie recherch e Il 3 DIMENSIONNEMENT DE LA CAPACIT DE STOCKAGE D EAU Le dimensionnement du dispositif de r tention d eau se fait par projection des besoins Ces besoins int grent l estimation cons cutive au calcul de l vapotranspiration appliqu la surface du champ cultiver et l autonomie recherch e en cas de mauvais temps m thode d taill e en Il 1 Il est possible de tenir compte des pertes par vaporation si le bassin est ouvert On peut utiliser la formule laborieuse mais plus rigoureuse de l vaporation de Penman condition bien entendu de disposer de tous les param tres n e C XP P p AtT2XT p 7 y xb T y x10 0 00163 x 08 A 7y A 2x7y EX E 0 0484x 1 0 6xu x e e 09 On peut galemen
20. e hauteur h en et l azimut a en comme indiqu s sur la figure fig22 Le calcul de l angle de hauteur du soleil s effectue l aide de la formule sinh sin sin cos cos cos AH 16 Le midi solaire correspond au midi du M ridien qui passe par le pays Dans le cas du Burkina Faso le midi solaire correspond au midi horaire car le Burkina Faso n a pas de d calage horaire La d clinaison solaire varie tout au long de l ann e et est extr male aux solstices Elle varie de 23 45 le 21 d cembre 23 45 le 21 juin Elle est d termin e pour tout jour quelconque de l ann e par la formule suivante 5 34 in 2x nn r 17 365 Avec n le jour de l ann e c est dire n 1 pour le 1 janvier et n 32 pour le 1 f vrier etc Le calcul de l azimut du soleil s effectue l aide de la formule ci dessous nn cos cos AH 18 cosh Avec ces 2 formules nous pouvons d terminer de mani re pr cise toute date et heure de l ann e quelle sera la position du soleil et ceci en tout point du globe terrestre Exception faite des r gions polaires On peut galement d terminer les heures pr cises de lev e et de couch du soleil connaissant ainsi la dur e totale d insolation exposition au soleil IV 2 2 Orientation des panneaux par rapport au soleil L orientation des panneaux est galement d finie par 2 angles i en 0 pour le plan horizontal et y en 0 p
21. e jour en mesurant le volume d eau perdu L vaporim tre donne une indication de l effet conjugu des rayonnements solaires du vent de la temp rature et de l humidit sur l vapotranspiration dans un champ f fig12 Lorsque l vaporim tre est install selon les pr cautions de fonctionnement optimal nous pouvons utiliser la formule ci contre 18 TI Ir 0 3x Ep x 1 C R 03 nl S D formule int gre les approximations ETP sverre _ paree 0 33 1 C X Epe 05 Fil fr FigiEvapdlimetr Wn 0 80 x ETP 20 L 0 1x ETP 07 H 1 3 R capitulatif et Exemples Le tableau2 fait l inventaire des techniques d estimation de l vapotranspiration et des param tres n cessaires leur calcul Ces valeurs trouv es par la m thode analytique doivent uniquement tre consid r es comme des estimations pr liminaires Des mesures en champ des r ponses d une culture sp cifique des quantit s variables d eau d irrigation dans les conditions locales devraient fournir des orientations plus fiables sur les quantit s optimales d eau d verser En outre les estimations ci dessus se r f rent seulement aux stades de croissance active de la plante Lorsqu un v g tal arrive maturit ses besoins en eau diminuent naturellement L irrigation est interrompue quand sa contribution au rendement devient n gligeable Remarque D autres calculs sont effectu s lorsque l on pratique la fertirrigation Celle ci pe
22. ement global horizontal ensoleillement direct ensoleillement diffus Ensoleillement maximum midi solaire Ensoleillement horaire Ensoleillement journalier Hauteur manom trique totale l Intensit est une fonction de la Tension V Besoin d irrigation Irradiation Indice de clart mensuel Lessivage Temp rature nominale des cellules en op ration Puissance Pression atmosph rique Abr viation de Photovoltaique D bit de la pompe Pluies tomb es depuis la derni re irrigation Rapport entre l ensol direct sur le champ et l ensol direct sur l horizontale Unit angle angle MJ kg C kPa kPa kPa mm mm J mm mm J J mm jour mm jour 9 81 m s W m m angle J m J m J m J m J m J m m Jim H W kPa m jour Vdc Vac W Wn Wp ou Wc At Radiation nette en quivalent d vaporation Angle d inclinaison r elle Angle d inclinaison optimale Temp rature moyenne 2 m Temp rature moyenne ambiante Temp rature du champ photovolta que Temp rature de r f rence de la cellule PV Vitesse du vent vitesse du vent mesur e 2 m Tension de courant continu alternatif Facteur de pond ration li la temp rature Besoin en eau effectif de la plante Puissance cr te Pente de la courbe de tension de vapeur Dur e totale d ensoleillement journalier Angle d incidence du rayonnement coefficient de temp rature pour le rendement du mod
23. end les syst mes de filtration et d injection ainsi que des accessoires relatifs la r gulation de pression et la protection du syst me et d un r seau de distribution Celui ci est compos de conduites d amen e et de secteurs d irrigation Encadr 2 On peut distinguer plusieurs techniques d irrigation manuelle arrosoir seau r serv e aux tr s petites surfaces par coulement de surface sous le simple effet de la gravit au moyen de canaux et rigoles par aspersion technique qui consiste reproduire la pluie par goutte goutte pour une irrigation de pr cision ou micro irrigation destin e conomiser l eau par infiltration au moyen de tuyaux filtrants enterr s variante de la technique du goutte goutte par inondation ou submersion technique appliqu e dans les rizi res par application gestion globale de l eau gr ce une r partition syst matique des exc dents d eau et leur r infiltration profonde VNVYNNVNNNNN Le goutte goutte permet une conomie de l eau 50 70 par rapport au gravitaire et 30 par rapport l aspersion et une utilisation de la ferti irrigation ou fertirrigation technique qui consiste amener le fertilisant dilu dans l eau au pied des plantes pour en viter le gaspillage et r duire la pollution des nappes phr atiques par les engrais Par rapport aux autres syst mes d irrigation encadr 2 le goutte goutte encadr 3 permet galement
24. es d vacuation Des filtres sable emp chent les particules en suspension ou les algues d obstruer les orifices de sortie Des r cipients auxiliaires sont utilis s pour dissoudre et injecter l engrais dans l eau d irrigation Des tubes allong s verticaux ou hampes sont utilis s pour d verser l eau amen e par une conduite souterraine dans de petits bassins M thodes bas es sur des l ments import s Les assemblages de goutteurs et de microasperseurs fabriqu s industriellement sont soigneusement supervis s et entretenus Des quipements accessoires tels que filtres grille et filtres remplis de mati res diverses valves doseuses r gulateurs de pression et injecteurs d engrais sont utilis s dans divers assemblages Ces options ne sont iustifi es que pour l arrosaae des cultures commerciales dans une conomie de march stable 14 l 3 DEFINITION GENERALE D UN GENERATEUR PHOTOVOLTA QUE Un g n rateur photovoltaique PV produit de l lectricit partir du rayonnement solaire Les cellules PV sont r alis es la plupart du temps dans un mat riau semi conducteur le Silicium par exemple Ce sont les photons de la lumi re qui en frappant la cellule d placent les lectrons dans le mat riau et g n rent ainsi une circulation continue des lectrons c est le courant lectrique fig8 Dans la plage habituelle d utilisation plage courant quasiment constante une cellule PV peut tre
25. es panneaux N Fig25 Positionnement du panneau par rapport au soleil L angle d incidence B en est langle form par le rayon solaire incident et la normale au plan r cepteur comme indiqu sur la figure ci dessus fig25 Cet angle permet de d terminer la composante utile du rayonnement solaire direct Le calcul de l angle d incidence p sur une surface i y de panneaux peut tre effectu l aide de la formule trigonom trique g n rale suivante cos p cosh x sin x cos a y sinh x cos i 19 Dans le cas des l orientations fixes et semi fixes ci dessus a i Dety 0 cos p lcoshx sin x cos a sinh x cos p 20 b d 11 73 O et 11 73 0 cos p cosh x sin 11 73 x cos a sinh x cos 11 73 21 d s le 21 mars et 22 cos p cosh x sin 11 73 x cos a sinh x cos 11 73 des le 23 septembre 34 IV 3 2 Ensoleillement dans le plan du champ PV L ensoleillement journalier peut tre calcul de deux mani res a Par la m thode des sommes d ensoleillement horaires Cette m thode consiste calculer un ensoleillement horaire pour chaque heure de la journ e et faire la sommation de ces ensoleillements horaires b Par la m thode de la valeur cr te d ensoleillement midi Cette m thode fait l hypoth se que la courbe d ensoleillement journalier voir figure 22 peut tre approch e par une sinusoi de L ensoleillement j
26. ie d eau que ce syst me d irrigation apporte Cependant du fait qu un syst me de pompage d eau est constitu d une multiplicit d organes de fonctionnement un dimensionnement correct de chacun des l ments constitutifs s impose d finition des besoins r els en nergie choix judicieux de la pompe forme et capacit de stockage de l nergie dimensionnement et installation appropri s des cellules photovolta ques etc Cette tude analysera les diff rents l ments constitutifs d une installation solaire pour pompage d eau pour une irrigation goutte goutte Il optimisera les crit res de choix et de dimensionnement de ces l ments constitutifs Des indications seront donn es sur le mode d installation dans les r gions du Sahel Cette tude sera structur e comme suit D abord nous allons proc der une description d une installation type et une pr sentation des l ments qui la constituent Ensuite nous allons proposer une m thode de choix et de dimensionnement optimum de ces l ments constitutifs Finalement nous allons apporter une conclusion et des perspectives pour un meilleur dimensionnement de notre installation l SCHEMAS ET DESCRIPTION DU PRINCIPE Les panneaux solaires photovoltaiques 1 produisent l nergie lectrique sous forme d un courant continu qui est converti travers un convertisseur statique 3 pour alimenter un groupe moto pompe immerg ou flottant 4 Le groupe
27. la moindre erreur sur le dimensionnement peut avoir de graves cons quences A l vidence toute moto pompe a sa fourchette de hauteur manom trique qu il faudra tudier avant de choisir i NN N TNS LLD Voici un autre abaque de fonctionnement d une moto pompe centrifuge int ressant des moto pompes solaires photovolta ques fig19 Cet abaque int gre les param tres Ensoleillement moyen D bits Puissance du champ PV et HMT d une moto pompe Elle permet de d terminer la puissance des modules solaires photovolta ques mettre en place en connaissant le d bit d sir le lieu de l installation la profondeur du forage et la hauteur de refoulement HMT de la moto pompe solaire Comment l utiliser Par exemple connaissant le d bit 60 M jour une hauteur de 9 m tirons un trait horizontal partir de 60 m Ce trait coupe les courbes de d bit notamment celle correspondant 9 m tres Pla ons le point de croisement De ce point tirons une ligne verticale qui va croiser les courbes d ensoleillement que nous rep rerons Enfin de ce dernier point tra ons une nouvelle droite en direction de l chelle Wp Qui signifie Watts cr tes et lisons une valeur Dans notre cas en supposant que l ensoleillement du lieu de l installation soit de 6 KWh m jour nous trouvons environ 900 Ce qui signifie qu il faut installer 900 Wc au minimum de modules solaires photovolta ques pour obtenir le d bit d sir 26
28. ment de la pompe Si la pompe fonctionne en CA il faut e tenir compte du rendement de l onduleur Nona C Alternatif 2A 1 nios sense X TT ond 12 E moy E _ Nim y moto pompe N no 1 3 Etnii Le calcul de puissance partir du d bit journalier que l on souhaite obtenir en addition aux caract ristiques de la pompe pouvant satisfaire un certain d bit une certaine hauteur conduit au choix de la pompe Ce choix imposera par la suite les caract ristiques U I de la pompe c est dire le type et la valeur de la tension Pour obtenir la m me caract ristique U l du c t du syst me PV qui satisfasse cette demande il faut agencer les panneaux en s rie Fig20 Organigramme du Cf en parall le comme cela est sch matis par Syst me de pompage f l organigramme ci contre fig21 Electrique Cela peut conduire des carts consid rables entre les valeurs de l agencement PV et celles de la plaque signal tique de la pompe mais tout est question de compromis et d ajustement condition que la tension du syst me PV soit dans une fourchette acceptable 28 Prenons l exemple d une pompe se devant de fonctionner sous une tension moyenne de 100 120 Volts continu Dans ce cas les modules solaires devront tre Syst me PV Orientation Agencement S rie Parall le Caract ristiques U I du syst me PV Valeurs Proches Calcul de Qfourni fo
29. ns dire que les pompes centrifuges sont g n ralement utilis es pour les puits profonds et les d bits importants Les pompes d placement positif sont par contre utilis es pour les d bits faibles Pompe d placement positif Hauteur manom trique m Quand au moteur le CC est ERS g n ralement plus efficace et plus facile utiliser avec un syst me PV mais malheureusement moins accessible financi rement que le CA Ce dernier n cessite cependant l utilisation d un Fig15 S lection du type de pompe onduleur pour fonctionner avec les syst mes PV Moteur courant continu Moteur asynchrone Facilit de r gulation variation du vitesse couple Fiabilit n cessite peu d entretien Rendement de 90 Rendement de 90 Pompe manuelle 1 2 5 10 20 50 100 200 400 Besoin quotidien en eau m3 Avantages Inconv nients o Co t d entretien Le syst me balai collecteur est Difficult et co t de r gulation n cessite changer la r alisation de commandes vectorielles Le choix du moteur alternatif monophas ou triphas peut tre expliqu par le tableau et la figure ci dessous fig16 L inconv nient majeur du mono est le couple nul au d marrage mais il y a possibilit de d marrer en diphas Monophas Tribphas Moteur Moteur Monophase Triphase 10 33 N m Couple de d marrage Couple moteur en N m PEN Courant 34 OBIA magnetisa
30. nt ma a Countde oga 17954 Taux de rotation en Rad s d marrage Fig16 Comparaison du fonctionnement d un moteur mono et triphas 24 1 2 DIMENSIONNEMENT DE LA MOTO POMPE La courbe qui caract rise le fonctionnement d une moto pompe en fonction de la variation de l ensoleillement peut se rapprocher de la courbe ci dessous fig17 l axe des ordonn es est gradu droite en W et gauche en L amplitude du d bit de la moto Appliqu une pompe Midi solaire naw V 100 1000 W ILE Amplitude du d bit ee j ai LA k1 Fa S Et E ra F Fi a F hi 5 Fa p F F k 50 4 500 W 1 E t Cat liian n J a LA Pa ah H La 5 Hiver de la pimpe 1111 F Tm Ts A 2 La Rad 9 6 z rs MT de 7 far h LA p A Pas de debi Jours de pluie wr w x 4 a 1 rrj ha NX Le 100 W PEL CL LL LL ELLE LEE PENSE ti a an ptm I khaji eaat us Mauss mime Couch du soleil Img CERSONL Variations saisonni res Fig17 Variation journali re de l ensoleirllement pompe est indiqu e droite La moto pompe commence d biter partir d une certaine puissance fournie par les modules solaires ici sur le graphe environ 250 Watts Le d bit de la pompe quasiment nul cette puissance augmentera proportionnellement avec l ensoleillement pour atteindre le maximum midi solaire Remarquer l influence des saisons ou de la m t o Le d m
31. oltes Pourtant il n existe pas encore dans ces tats pour l ensemble une forme d irrigation d appoint pour compenser les mauvaises saisons pas plus pour rallonger la p riode de culture et multiplier le nombre de r coltes en contraste avec les pays du nord dont le pourcentage des r coltes apport par l irrigation est tr s important voir encadr 1 Dans le monde 277 millions d hectares sont irrigu s ann e 2002 source FAO sur 1 4 milliard d hectares de terres arables au total Ils fournissent environ 1 3 de la production alimentaire mondiale Trois pays Inde Chine tats Unis repr sentent 50 des surfaces irrigu es totales 80 de la nourriture produite au Pakistan provient de terres irrigu es 70 pour la Chine mais moins de 2 pour le Ghana le Mozambique ou le Malawi En France en 2000 2 63 millions d hectares de terres agricoles taient irrigu s Encadr l Contribution de l irrigation au niveau mondial Pour les tats sah liens une forme d irrigation avec pompage solaire moindre co t s impose l nergie solaire n tant pas gratuite Tout syst me de r cup ration d nergie solaire un co t d installation des frais de surveillance de maintenance et de renouvellement Des tudes th oriques et exp rimentales ont prouv que le pompage d eau solaire pour une irrigation goutte goutte est le meilleur compromis pour d velopper l agriculture dans les pays du Sahel du fait de l conom
32. our un plan orient au Sud pour les pays de l h misph re Nord et vice versa comme indiqu sur la figure ci contre fig26 y peut tre remplac e par une direction g ographique NW Nord Ouest ou SE Sud Est par exemple Ce sont les angles sur lesquels nous devrions jouer si nous voulions que les surfaces des panneaux suivent la course du soleil Ainsi le plan orient des panneaux peut tre d fini par le couple de donn es i y Une orientation optimale impose un angle i avec 23 45 lt d lt 23 45 Une orientation fixe l ann e des panneaux pour un site dans un pays sah lien serait par cons quent 0 comme indiqu sur la figure de la page suivante fig23 32 F 11 73 Fig23 Orientation fixe Fig24 Orientations semi fixes On peut optimiser cette orientation en pr voyant 2 positions sur les panneaux les panneaux seraient r gl s par un agent de maintenance qui les positionnerait chaque semestre pendant les quinoxes comme indiqu sur la figure ci dessus fig24 Dans ce cas nous aurons pour les deux positions d 11 73 0 positionn le 23 septembre et 11 73 0 positionn le 21 mars Nous pouvons consid rer ces positionnements comme tant des orientations semi fixes des panneaux en effet l angle i est variable tandis que l angle y est toujours nul 33 V 3 CALCUL DE L ENSOLEILLEMENT DANS LE PLAN DU CHAMP PV IV 3 1 Angle d incidence du rayonnement sur l
33. ournalier peut donc tre calcul connaissant l ensoleillement maximal midi solaire Ces valeurs peuvent par la suite tre exploit es par la formule globale de Duffie et Beckman 1991 suivante cette formule s appliquant aux orientations fixes et semi fixes Dans le premier cas E 23 H H x R Hy x RS 4 xatt i 2 2 24 H H H R _ cos 2 25 cosh 26 H 5H Dans le second cas Hum H x R Hy x i H xaib x ESS 27 H H H 28 He N 29 TT 39 IV 4 MODELISATION DU CHAMP PHOTOVOLTA QUE H Le champ photovolta que peut tre mod lis par l organigramme ci contre fig26 L nergie produite par Rendement du le champ photovoltaique E p est donn e par champ PV Mp E SxmXH 30 n Avec S surface du champ photovolta que k Le rendement moyen np du champ photovolta que Pere dires est fonction de la temp rature moyenne T du du chamb PV module avec Te reli e la temp rature ambiante 1 X s moyenne du mois Ta par la formule d Evans 1981 p z n n x 8 xT T 31 A o T T 219 a E C 32 Fig26 Organigramme du 800 Champ PV Les valeurs nr Bp et NOCT indiqu es ci dessus d pendent du type de module consid rer Nous pouvons n anmoins nous fier aux valeurs donn es par d faut si elles ne sont pas sp cifi es par le constructeur Tableau3 Tableau3 Caract ristiques du module PV pour des technologies courantes Type d
34. r e Cette tension d entr e se calcule au moyen de la formule 15 ci dessus Vac LT 15 max Bien entendu le choix de la motopompe ainsi que l agencement des panneaux se font l aide de la tension continu aux bornes de l onduleur Il conviendrait donc de proc der ce calcul pr alable de la tension continue de l onduleur avant d effectuer les agencements conduisant au choix des panneaux 30 IV DIMENSIONNEMENT DU CHAMP PHOTOVOLTA QUE Comme nous l avons vu dans le chapitre pr c dent le dimensionnement proprement dit c est dire l agencement s rie parall le des panneaux solaires se d termine conjointement avec le choix de la pompe pour qu il y ait compatibilit entre l offre et la demande d nergie En effet nous avons vu que les caract ristiques Tension et Courant des modules photovolta ques et de la pompe doivent tre en corr lation Si la corr lation n est pas respect e des l ments peuvent se retrouver en panne Tout cela est scrupuleusement r gul par l onduleur s il y en a besoin cas d une pompe fonctionnant en courant alternatif V 1 QUELQUES MOTS SUR L ONDULEUR L onduleur fr quence variable transforme le courant continu issu des panneaux en courant alternatif monophas ou triphas permettant de faire fonctionner la pompe Cette transformation s effectue avec un rendement excellent sup rieur 95 La fr quence du courant de sortie vitesse de la pompe est variable de fa on
35. r servoir d eau conduite pompe pompe d moteur i maari source d eau courant continu courant continu Syst me entrainement direct Syst me piles Fi Les deux syst mes doivent comprendre une capacit de stockage d eau mais celle du syst me piles peut tre plus petite que celle du syst me entra nement direct puisque les piles offrent en fait une capacit suppl mentaire d entreposage Remarque Nous nous limiterons au syst me entra nement direct l 1 DEFINITION GENERALE DU SYSTEME DE POMPAGE D EAU La diff rence entre un syst me de pompage solaire et un syst me de pompage classique est l utilisation de panneaux photovoltaiques 14 d une convertisseur 15 et d une pompe ad quate 2 voir fig4 Les pompes utilis es peuvent tre de surfaces ou immerg es centrifuges ou volum triques selon la condition d utilisation D signation 2 pompe o 4 d tecteur niveau bas lingue de s curit et de manutention 8 t te de puits 9 manom tre O O Z o E El vation Rabattement Distance horizontale r servoir pompe Diam tre canalisation Fig lt Syst me de pompage solaire 11 I 1 1 Les pompes centrifuges Les pompes centrifuges Fig5 utilisent les variations de vitesse du fluide pomp pour obtenir un accroissement de pression L nergie m canique du moteur est transmise au fluide La vitesse donn e au fluide va fournir une nergie
36. rel ve les carts de calcul par rapport la m thode de Penman Monteith Quand au tableau1 celui ci recense les mod les d ETP couramment utilis s Une autre m thode plus simple consiste estimer les pertes par vaporation en Tableau Mod les d ETP recens s dans la litt rature Classification M thode Donn es n cessaires Pas de temps Combinatoire Fenman 1948 eg T U D Journalier Penman Monteith 1965 6x T U D Journalier Prestley Taylor 1972 T D Journalier Kimberly Penman 1882 amp g T U D Journalier Thom Oliver 1977 g T U D Journalier A rodynamique Dalton 1802 ex U Journalier Temp rature Thornthwa ite 1948 T D Mensuel Blaney Criddle 1959 T D 5 jours Hamon 1961 T Journalier Romanenko 1961 g T Journalier Linacre 1977 Ca T Journalier Rayonnement Turc 1961 Ed T D Journalier Jensen Haise 1963 T 5 jours Mc Guimness Bordne 1972 T Mensuel Hargreaves 1975 T 10 jours Doorenbos Pruitt 1977 FAO 24 6 amp 4 T U D Journalier Abtew 1996 a T D Journalier Makkink 1957 T Journalier T Temp rature U Vitesse du vent D Dur e d ensoleillement Rayonnement ed Pression de vapeur effective de l air mesurant directement le taux d vaporation l aide d un vaporim tre standard Il s agit d un r cipient peu profond rempli d eau que l on pose sur le sol l int rieur de la zone irrigu e On peut calculer facilement la quantit d eau qui s vapore chaqu
37. s 2003 38 13 Th odore FOGELMAN SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES POUR LES PAYS EN DEVELOPPEMENT Manuel d installation et d utilisation Agence Fran aise pour la Maitrise de l Energie AFME septembre 1982 14 Zacharie KOALAGA ELECTRICITE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE Universit de Ouagadougou et EIER fpu gefi 1999 2000 15 ROYER J DJIAKO T SCHILLER E et SY B S LE POMPAGE PHOTOVOLTAIQUE Manuel de cours l intention des ing nieurs et des techniciens Institut de l Energie des Pays ayant en commun l usage du Fran ais Qu bec 1998
38. s 9 I 1 D finition g n rale du syst me de pompage d eau 10 ET ES DOME C NIRITUOES Sen 11 I 1 2 Les pompes volum triques nnnsnnssnnoosoosonsoosooseosooseoseosesseosensenseesenseeseesees 11 I 1 3 Les pompes de surface et les pompes immerg es s ssssessseesesees1ees 12 I 2 D finition g n rale d une irrigation goutte goutte gt 12 I 3 D finition g n rale d un g n rateur photovolta que sssneesessesooseesensensesee 14 I 4 Pr sentation de la m thode de dimensionnement ss sssssssssesssseesesesesseseses 15 II D termination des besoins en eau 16 IT 1 Besoins en eau des plantes irriguer sssssssssessssesseseesessesessssessssersrsersrsseseesess 16 PP Me AO OO a S 16 Ir l 2 Modes de Cold Ta E 16 IIT 1 3 R capitulatif et Exemples ts nl nn 18 I Etude du stockage de eds ne nn nd 20 IT 3 Dimensionnement de la capacit de stockage d eau 21 III Choix et dimensionnement de la moto pompe s essssssesesesesessessssssesesesesesesenerersrseseses 22 ITLI Choix de IdMO TC POMPES ti an in 22 ITI 2 Dimensionnement de la moto pompe snnsenesosesesonseseneosesonsesensssesessesessssesens 24 ITI 2 1 Dimensionnement par la m thode graphique ss nnnnesnssosoos0ns1s100s 25 ITI 2 2 Dimensionnement par la m thode analytique 27 IV Dimensionnement du champ Photovoltaique e esssessesesesesesesessessessssssesesesesesenersrseseseses 30
39. sur le besoin en eau de tout type de plantes couramment cultiv es dans les r gions sah liennes doivent tre disponibles au Centre de Semences Foresti res A titre d exemple pour une r gion tropicale les besoins en eau en moyenne peuvent tre d finis en utilisant les valeurs suivantes Agriculture mara ch re 60 m3 hectare jour Riz 100 m hectare jour Autres c r ales 45 m3 hectare jour Sucre de canne 65 m3 hectare jour Coton 55 m3 hectare jour Ces valeurs sont d finies pour les quantit s d eau de pluie et doivent tre ajust es dans le cas d une irrigation goutte goutte 20 Il 2 ETUDE DU STOCKAGE DE L EAU Le stockage de l eau dans le cadre d une irrigation goutte goutte est quasi obligatoire du fait des imp ratifs que cette forme d irrigation suscite On distingue de ce fait 3 trois principales raisons ce 12 1 lorsqu on opte pour une irrigation goutte goutte cest que l on a pour premier souci de r guler l eau en vitant le gaspillage Cela ne peut se faire que s il y a une r tention pr alable de l eau pomp e au fil du soleil suivie d un contr le de son versement au pied de la plante 2 La plupart des pompes s d livrent un d bit Variable en fonction de Ze l ensoleillement comme nous le verrons plus loin La pr sence d un dispositif de r tention permet par sa position par Syst me goutte goutte LEA Nica drip fonctionnant E rapport au niveau du sol
40. t se servir de formules plus simples comme celle couramment utilis e pour d terminer les vaporations d une piscine en plein air La formule de Rohwer ci dessus est g n ralement utilis e cet effet Si l on dispose d un vaporim tre le travail est alors plus simple car il suffira de corr ler le volume manquant dans l vaporim tre au rapport des surfaces du bassin et de l vaporim tre 22 Ill CHOIX ET DIMENSIONNEMENT DE LA MOTO POMPE 1 1 CHOIX DE LA MOTO POMPE Le dimensionnement d un syst me de pompage doit tre fait avec une grande attention Il faut tenir compte de diff rents param tres num r s ci dessous fig14 Les param tres en rouge sont strictement n cessaires S il s agit d un puit ou d un forage quel est son diam tre Profondeur du forage ou du puit en m tre Niveau statique du forage en m tre Rabattement en m tre D bit horaire du puit ou forage a e rabattement en m3 h Variation saisonni re du niveau statique en m tre Hauteur verticale de refoulement en m tre Fig14 Param tres d un syst me de pompage La classification des pompes peut se faire selon diff rents crit res 1 Conception Centrifuge D placement positif 2 Position dans le syst me De surface Immerg 3 Type de moteur utilis Courant continu Courant alternatif 23 La figure ci dessous indique les cas d utilisation des types de pompes fig15 En r sum nous pouvo
41. temps Pour les d terminer on peut observer les variables m t orologiques pertinentes temp rature vent humidit atmosph rique et ensoleillement puis appliquer l une des nombreuses quations fonctionnelles ou formules permettant de calculer l vapotranspiration potentielle La formule de base utilis e pour d terminer le besoin en eau est l quation de Penman donnant l vapotranspiration de r f rence ET ET c WxR 1 W x f u x e e 01 17 Cette formule a t am lior e par celle de Penman Monteith qui inclut les param tres de rugosit et de r sistance de surface normalis e Cela permet de palier la faiblesse que les recherches ont indiqu e dans le calcul de la fonction du vent f u le d ficit de la pression de vapeur le rayonnement net de longues longueurs d onde et l utilisation du coefficient de correction c Apr s cet ajustement l quation de Penman Monteith peut alors tre utilis e dans toutes les r gions du globe se servant de surcro t des seuls facteurs climatiques 900 0 408 x A x R G U e Ax Ot pga e ea 02 A y 1 0 34U ET Il existe bien d autres quations plus ou moins simples car r duisant le nombre de param tres qui entrent en ligne de compte dans le calcul de l ETo mais elles ne sont utiles que dans le cas o les donn es m t orologiques feraient d faut Le travail de S Bouhlassa et S Par fait un bilan et une comparaison de ces m thodes et
42. trique en continu ou alternatif mono ou triphas etc 3 Phase Dimensionnement et montage du syst me PV Ce dimensionnement tient compte en gros de la puissance nominale de la pompe major e des diff rentes pertes conversion de tension r gulation etc et de l ensoleillement du site Son montage Orientation d pend de sa position g ographique longitude Energie Energie Energie Solaire Electrique Hydraulique d Panneaux solaires m Motopompe Fig10 16 Iil DETERMINATION DES BESOINS EN EAU Il 1 BESOINS EN EAU DES PLANTES A IRRIGUER II 1 1 M thodologie Dans le cas d une irrigation goutte goutte l eau est d vers e sur la plante le plus fr quement possible ou en continu et quotidiennement Quant la d termination de la quantit d eau apporter on doit irriguer de sorte compenser les pertes par vaporation et pr venir la salinisation de la rhizosph re fig11 Ensoleillement Rayonnement m4 du vent Humidit mE Rayonnement ascendant Rayonnement incident Temp rature Transpiration Transpiration d Chaleur Sol sec Chaleur Eau d vers e d m L omn N Evaporation f Sol mouill Na Limite de la zone mouill e Percolation profonde Fig Cycle Limite de la e m rhizosph re D vapotranspiration II 1 2 Modes de calcul Les pertes par vapotranspiration d pendent des conditions m t orologiques qui varient au fil du
43. u module N NOCT C B C Cr Coefficient de correction Si l inclinaison des panneaux latitude plus la d clinaison solaire elle est optimale et C 1 sinon C 1 1 17x10 x sy 5 33 Les pertes diverses dans le syst me PV sont galement prises en compte Ce pourrait tre ventuellement les pertes li es l agencement U l E E x 1 21 34 Et alors le rendement total du syst me na E Ga 35 Avec de telles formules nous nous rendons compte que la dimension surface S du champ PV sera fonction de l nergie qu il doit produire et de l ensoleillement du site 36 CONCLUSION ET PERSPECTIVES Dans cette tude nous avons analys les l ments constitutifs d un syst me de pompage PV pour une irrigation goutte goutte Cette analyse a permis de d gager des crit res optimums pour le choix et le dimensionnement de ces l ments Des indications ont t donn es pour une installation dans les r gions sah liennes Cette tude a montr que le choix et dimensionnement des l ments d un syst me photovoltaique pour une irrigation goutte goutte proc de d une estimation des besoins en eau Cette estimation peut tre pr alablement calcul e mais en d finitive elle sera approch e du fait que l on souhaite obtenir une autonomie en cas de mauvais temps Cette approche conduit ainsi au dimensionnement approximatif de la capacit de stockage de l eau Les l ments conditionn
44. ule angle z nithal du soleil D clinaison solaire rapport poids mol culaire vapeur air sec 0 622 Latitude du site d installation Densit de l eau Constante psychrom trique Facteur qui tient compte des pertes de charge Rendement total du syst me PV Pertes de charge exprim es en m tre lin aire de hauteur Rendement moyen de la pompe Rendement Onduleur Rendement du champ photovoltaique Rendement de la pompe rendement du module la temp rature de r f rence T 25 c chaleur latente de vaporisation 2 45 MJ kg 20 C Coefficient de pertes diverses dans le panneau inclinaison du champ PV mm jour angle angle C C C C m s m s V m W kPa C S angle angle angle 0 0 angle 1000kg m kPal C MJ kg angle INTRODUCTION Depuis la d couverte du syst me Photovoltaique La r cup ration de l nergie solaire est devenue l une des applications les plus prometteuses dans les pays d velopp s o l utilisation du Syst me Photovoltaique est pour l instant le plus courant il sert habituellement de compl ment d nergie lectrique usage domestique en milieu urbain et les panneaux solaires sont plac s sur les toits d habitation Profitant des conventions cologiques qui pr conisent la consommation d nergies propres ou renouvelables son utilisation se g n ralise et il est tr s fr quent de voir des compagnies d lectricit r
45. umi gt Qsouhait Choix d finitif Pompe syst me PV Fig21 Organigramme de d termination de la pompe et du Syst me PV dispos s par s rie de 7 105V ou 8 120V S il est n cessaire d avoir une puissance de modules solaires de 1100 Wc on voit que 1100 50 22 Il faudrait 22 modules solaires Cependant 22 7 ne donne pas une valeur enti re Nous avons donc le choix entre 21 modules 3 x 7 avec un d bit inf rieur celui demand ou 7 x 4 28 modules 1400Wc ou encore 8 x 3 24 modules solaires 1200Wc solution qui de toute vidence est la meilleure D bit un peu sup rieur la demande 29 Remarque D autres formules peuvent tre utilis s comme par exemple la formule ci apr s cas d une pompe centrifuge P W HMT x D bit 14 O P est la puissance th orique en watts du g n rateur solaire syst me PV 10 un coefficient IR l irradiation locale en KWh m HMT la hauteur manom trique totale en m tre et D bit la quantit d eau d sir e quotidiennement en m jour Cette formule est fonction de l irradiation donc du lieu g ographique o est install e la pompe Pour les pompes plus puissantes il est n cessaire de fonctionner sous des tensions tablies de 220 380 voir 660V g n ralement triphas e L onduleur d coupage alimentant ces pompes est con u de telle fa on qu il faudra calculer la tension d entr e Courant continu pour obtenir la tension de sortie d si
46. une baisse des d penses en nergie utilis e dans le pompage une r duction du co t de la main d uvre impliqu e dans les op rations de l irrigation et de la fertilisation et une baisse des quantit s d eau et d engrais utilis s Encadr 3 R capitulatif des m thodes d irrigation goutte goutte M thodes n cessitant uniquement de la main d uvre et des mat riaux locaux Des pots de c ramique poreux cuits chaleur mod r e sont pos s la surface ou enfouis dans le sol l int rieur de la rhizosph re Lorsqu ils sont remplis d eau et d engrais dissous les r ceptacles d argile perm able exsudent de l eau et des l ments nutritifs dans le sol Des tuyaux de c ramique sectionn s constituent des sources lin aires qui humidifient un volume de sol de forme allong e M thodes bas es sur des mat riaux import s mais assembl s sur place Des tuyaux de plastique moul ou des canalisations de plastique extrud sont perfor s la main et pos s sur le sol pour simuler une irrigation au goutte a goutte Des sections verticales de tuyaux de plastique ou m me des r cipients de plastique mis au rebut bouteilles etc sont enfouies dans le sol Des r cipients de plastique parois minces sont remplis de sable ou de gravier pour fournir une r sistance m canique l crasement Des manchons de plastique recouvrent les sections perfor es des tuyaux pour emp cher les racines de p n trer dans les orific
47. ut en effet n cessiter un apport d eau suppl mentaire plus ou moins important en comparaison avec l apport strictement n cessaire l irrigation L tude du besoin en eau doit par cons quent en tenir compte 19 Tableau2 R capitulatif des techniques d estimation de l vapotranspiration Classification METHODE COMMENTAIRES Mesures Bacs vaporation et Evaporom tre Pich M thode la plus simple pour d terminer vaporom tres l vaporation mais difficult de normalisation et d extrapolation Lysim tre Mesure la plus fable de l vapotranspiration l chelle ponctuelle M thode de calcul M thode directe des fluctuations M thode la plus satisfaisante sur le plan th orique base physique ou mais fortes exigences technologiques et Mesure des flux estimations ponctuelles M thodes indirectes M thode des gradients M thode des profils M thodes a rodynamiques M thodes du bilan d nergie N cessite la connaissance de la temp rature de surface M thodes M thodes bas es sur la temp rature Ces m thodes tant discut es au Chapitre 1 empiriques ou par rappelons Juste qu elles sont largement utilis es en estimation de TETP M thodes bas es sur le rayonnement hydrologie et qu elles font appel quatre param tres climatiques temp rature de l air M thode de Dalton humidit relative rayonnement et vitesse du vent M thode par combinaison Penman Enfin des informations
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