Année universitaire : 2013-2014
Filière DUT Maîtrise de l’Energie Rapport du Projet de et Fin d’études Energies Renouvel Sous le thème : ables
Etude d’un système de pompage photovoltaïque Réalisé par : HMIMAD Anas ZOUYGHY Lahoucine
Encadré par : Pr. ER-RAKI Mohammed
Soutenu le 12 Avril 2014 devant la commission d’examen : Nom de Prof. Examinateur
Enseignant, EST Guelmim
Nom de Prof. Examinateur
Enseignant, EST Guelmim
Nom de Prof. Examinateur
Enseignant, EST Guelmim
Nom de Prof. Examinateur
Enseignant, EST Guelmim
1
بسم الله الرحمن الرحيم
قل إن صلتي ونسكي ومحياي ومماتي لله رب العالمين ل شريك له وبذلك أمرت وأنا أول المسلمين صدق الله العظيم
2
Dédicace
À nos chers parents
« Qui sont pour nous un symbole de sacrifice et de dévouement. C’est avec euphorie que nous leur dédions ce modeste travail »
À nos frères et nos sœurs
À tous nos oncles
À toutes nos familles
À tous nos amis
À tous ce qui, de près ou de loin, se sont sacrifiés pour nous.
3
Remerciement Avant tout, nous remercions ALLAH, le tout puissant, de nous ’avoir donné le courage et la volonté pour accomplir ce travail de recherche. Le travail présenté dans ce rapport a été dirigé par Monsieur Mohammed
ER-RAKI,
professeur à l’école supérieure de technologie de Guelmim. Nous tenons à lui exprimer toute notre gratitude et notre reconnaissance d’avoir proposé et
dirigé
ce
travail,
Ses
qualités
humaines,
son
esprit
critique
et
particulièrement ses conseils et ses orientations ont apporté beaucoup à l’aboutissement de ce travail. Nous devons chaque bribe de notre connaissance à nos enseignants à l’Ecole Supérieure de Technologie
de Guelmim qui ont si bien mené
leurs nobles quêtes d’enseigner les bases de l’énergie renouvelable et l’efficacité énergétique. Nous les remercions non seulement pour le savoir qu’ils nous ont transmis, mais aussi pour la fierté et l’ambition que leurs personnes nous aspirent. Non loin de tout projet ambitieux, il existe des gens qui partagent sans jamais se laisser les meilleurs et ses pires moments. Ce sont des personnes qui nous ont soutenus dans chacun de nos instants de faiblesse, et qui, sans leur extrême attention et gentillesse, nous ne serions pas ce que nous sommes devenus aujourd’hui. En tête de liste de ces gens nous placerons nos familles bien aimées qui n’ont jamais hésité à nous offrir le meilleur qu’elles pouvaient. Viennent alors tous nos camarades de promotion ainsi que tous nos amis qui nous ont aidés de façon directe ou tout simplement par leurs présences et leurs soutiens moral.
4
Table des matières DÉDICACE................................................................................................ ii REMERCIEMENT.................................................................................... iii NOMENCLATURE.....................................................................................vi INTRODUCTION GÉNÉRALE....................................................................1 CHAPITRE 1 : INTRODUCTION À L’ÉNERGIE PHOTOVOLTAÏQUE..........4 1. 2.
INTRODUCTION :...................................................................................................................... ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE......................................................................................................... 2.1 Le principe de la conversion photovoltaïque................................................................4 2.2 Caractéristique d'une cellule photovoltaïque...............................................................5 2.3 Influence de l’ensoleillement et de la température......................................................6 2.4 Le module photovoltaïque............................................................................................ 7 2.5 Système photovoltaïque............................................................................................... 8 2.6 Système photovoltaïque sans batterie.........................................................................9 2.7 Dimensionnement d’un système PV sans batterie.....................................................10 3. TYPE DE MODULE PHOTOVOLTAÏQUE........................................................................................... 11 3.1 Cellules monocristallines............................................................................................ 11 3.2 Cellules polycristallines..............................................................................................12 3.3 Cellules amorphes...................................................................................................... 12 3.4 Convertisseurs d’énergies.......................................................................................... 13 3.5 Type des systèmes photovoltaïques...........................................................................14 4. CONCLUSION..................................................................................................................... 16
CHAPITRE 2 : LE POMPAGE PHOTOVOLTAÏQUE...................................18 1. 2.
INTRODUCTION...................................................................................................................... 18 DESCRIPTION........................................................................................................................ 18 2.1 Les composants d'un système de pompage photovoltaïque......................................18 2.2 Description du principe..............................................................................................19 3. DÉFINITION GÉNÉRALE DU SYSTÈME DE POMPAGE D’EAU.............................................................21 3.1 Hydraulique de pompe............................................................................................... 21 3.2 Caractéristiques des pompes.....................................................................................21 3.3 Types de pompes photovoltaïques.............................................................................23 4. CHOIX ET DIMENSIONNEMENT DE LA MOTO-POMPE........................................................................24 5. CHOIX DE LA MOTO‐POMPE...................................................................................................... 25 5.1 Choix de pompe......................................................................................................... 25 5.2 Dimensionnement d’un système photovoltaïque autonome......................................28 6. CONCLUSION..................................................................................................................... 28
CHAPITRE 3 : ETUDE TECHNICO-ÉCONOMIQUE COMPARATIVE DES DIFFÉRENTS SYSTÈMES DE POMPAGE................................................30 1. 2.
INTRODUCTION...................................................................................................................... 30 ÉTUDE ANALYTIQUE................................................................................................................. 30 2.1 Bilan énergétique....................................................................................................... 30
5
2.2 Analyse économique.................................................................................................. 32 APPLICATION : ETUDE DE CAS................................................................................................... 35 3.1 Infrastructure hydraulique existante :........................................................................36 3.2 Méthode pratique de dimensionnement.....................................................................37 3.3 Estimation du cout du dimensionnement du cas étudié.............................................41 3.4 Coûts de la quantité d’eau pompée par notre générateur photovoltaïque :...............42 4. ESTIMATION DE COÛT DE L’ÉLECTRICITÉ (ONE)............................................................................43 4.1 Taux de desserte domestique et tarifs objectifs.........................................................43 4.2 Le coût énergétique : cas d’alimentation par le réseau électrique :...........................44 4.3 Etude comparatif entre ces deux sources d’énergies.................................................44 5. CONCLUSION......................................................................................................................... 46 3.
CONCLUSION GÉNÉRALE......................................................................47 LISTE DES FIGURES...............................................................................48 BIBLIOGRAPHIE.................................................................................... 49 WEBOGRAPHIE...................................................................................... 51
6
Nomenclature Id. I
Significatif
unité
courant disponible
A
V
jonction Iph (ø)
tension aux bornes de la V
courant produit par la photopile
A J
coefficient d’idéalité de la diode
Is
courant de polarisation de la diode
A Rs
une résistance série
Ω Rsh
une résistance en dérivation ou shunt
Ω HMT
La Hauteur Manométrique Totale
m Hg
hauteur géométrique
m ΔH
pertes de charge
m Nd
Le niveau dynamique
m Ns
Le niveau statique
m η
Rendement global de la pompe
Q m3/h
débit Pa
puissance fournie par le moteur
W 7
g
constante de la gravité
m/s2 ρ
la densité de l’eau
kg/m3 P
Puissance nominale d’un panneau
n
W J kg . s−3 . h m2
Eh
l’énergie hydraulique
Ch
constante hydraulique
Rp
Rendement de la moto-pompe
-
N
Nombre d’heure d’exposition aux
conditions STC
h
Pc
puissance crête
wc Epro
l’énergie électrique Pe
J PV
la puissance captée par le champ Esolmax
L’énergie
maximale captée sur le plan incliné optimal
( Wm )
S
W
2
Surface d’un module du champ photovoltaïque
m² A
nombre optimal du champ photovoltaïque
Pch
la puissance à la sortie du champ PV
W Rch
rendement optimal de champ photovoltaïque
Pe
puissance optimal à l’entrée du champ photovoltaïque
W
8
C vie
Le coût sur la durée vie du système
DH Coût initial de système
I0 DH Cent/main
Coût d’entretien et le coût de maintenance
DH Crempl
Coût de remplacement
DH Umax
la tension maximale de la pompe
V Imax
la courante maximale de la pompe
A
Introduction générale Dans nos jours, il nous semble que personne ne peut s’en douter sur l’importance de l’eau et de l’énergie pour les besoins humains. Avec les avancées technologiques, le besoin en énergie ne cesse d’augmenter. Ce problème d’énergie est encore plus sensible dans les sites isolés où l’utilisation des ressources classiques s’avère souvent très coûteuse. En effet, plusieurs contraintes, comme le transport du combustible et les entretiens périodiques des moteurs diesels, rendent la recherche d’une source d’énergie alternative indispensable pour ce type de sites. Comme nous le savons, la plus grande partie de l’énergie consommée actuellement provient de l’utilisation des combustibles fossiles comme le pétrole, le charbon, le gaz naturel ou encore l’énergie nucléaire. Les études et les prévisions récentes nous alertent que l’utilisation massive de ces ressources conduira certainement à l’épuisement total de ces réserves. En plus, tout le monde est mondialement convaincu par le danger de ce processus sur l’environnement. A partir de ce constat, il été nécessaire de 9
chercher d’autres ressources d’énergie de remplacement. Les énergies renouvelables, comme l’énergie photovoltaïque, éolienne ou hydraulique, représentent une solution de remplacement par excellence et elles sont de plus en plus utilisées dans nos jours. Ce type d’énergie n’est pas seulement gratuit et inépuisable, mais aussi très propre pour l’environnement. D’ailleurs, on parle souvent d’une énergie « verte », puisqu’elle permet d’éviter totalement la pollution produite par les sources traditionnelles. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés plus particulièrement par l’énergie photovoltaïque comme source d’énergie d’un système de pompage destiné pour l’irrigation d’une terre agricole de la région de la ville de Guelmim. La disponibilité d’une importante énergie solaire dans cette zone peut rendre l’application du pompage de l’eau par l’intermédiaire des pompes solaires photovoltaïques comme une solution très séduisante pour l’irrigation des surfaces agricoles de la région et même pour l’alimentation en eau potable. Le
travail
que
nous
présentons
dans
ce
rapport
traite
plus
particulièrement les aspects techniques et économiques d’une solution de pompage d’eau en utilisant une source d’énergie solaire photovoltaïque. Une étude comparative avec les méthodes classiques appliquées est présentée. Le présent manuscrit est subdivisé en trois chapitres. Dans le premier chapitre, on va essayer de présenter quelques notions de base sur l’énergie solaire photovoltaïque. La suite du chapitre sera consacrée à la description des différents systèmes photovoltaïques d’une part et à l’étude du principe de fonctionnement des cellules solaires d’autre part. Une partie théorique de base relative à l’énergie photovoltaïque est également exposée dans ce chapitre. La composition générale d’un système de pompage photovoltaïque, ainsi que les éléments théoriques permettant de dimensionner les stations de pompage courantes sont présentés dans le deuxième chapitre.
10
Le troisième chapitre est consacré à une étude pratique permettant le dimensionnement d’un système de pompage d’eau à base d’énergie photovoltaïque destiné à l’irrigation d’une surface de 5 hectares de luzerne. Après avoir donné quelques explications des règles de choix de ce système, une étude comparative technico-économique entre les deux sources énergiques pour le pompage d’eau, le réseau électrique ONE et le générateur solaire photovoltaïque, est présentée. Le rapport se termine par une conclusion générale qui résume l’ensemble des principaux résultats obtenus au cours de ce travail et qui donne les éventuelles perspectives envisagées.
11
Chapitre 1 :
Introduction à l'énergie photovoltaïque
12
Chapitre 1 :
Introduction à l’énergie photovoltaïque 1. Introduction : Le soleil peut satisfaire tous nos besoins si nous apprenons à exploiter rationnellement l’énergie qu’il rayonne vers la terre. Il brille dans le ciel depuis presque 5 milliards d’années et les scientifiques ont calculé qu’il est à la moitié de son existence. Nous avons du mal à imaginer qu’au cours d’une année le soleil diffuse vers la terre quatre mille fois plus d’énergie que celle consommée par toute la population mondiale. Aujourd’hui, il parait insensé de ne pas en profiter car nous avons les moyens technologiques nécessaires. De plus il faut considérer que cette source d’énergie est gratuite, propre et inépuisable. Cette énergie pourrait par ailleurs nous libérer de notre dépendance aux énergies fossiles ou aux autres alternatives peu sûres ou polluantes. Cette énergie peut être directement exploitée ou transformée en électricité. Le chapitre suivant consiste à présenter une étude générale sur l’énergie solaire photovoltaïque ainsi que son principe de fonctionnement.
2.Energie photovoltaïque 2.1 Le principe de la conversion photovoltaïque Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière
(photons),
génère
une
tension
électrique
(volt)
(c’est
l’effet
photovoltaïque). La structure la plus simple d’une cellule photovoltaïque comporte une jonction entre deux zones dopées différemment d’un même matériau. Chacune des régions est reliée à une électrode métallique au moyen d’un contact ohmique de faible résistance. 13
Le principe de fonctionnement peut être décomposé en deux parties : l’absorption des photons et la collecte des porteurs de charges créés. La première étape de la conversion de la lumière en courant électrique est la génération au sein du semi-conducteur des porteurs de charges que sont les électrons libres et les trous. La production d’électricité est proportionnelle à la surface des modules photovoltaïques exposés au soleil et à l’intensité lumineuse. Dépendante des conditions météorologiques, la production est donc aléatoire. L’énergie peut être utilisée en direct (cas des pompes solaires) ou stockée dans des batteries pour une utilisation ultérieure.
Figure I.1 Description de la cellule photovoltaïque
2.2 Caractéristique d'une cellule photovoltaïque Le schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque est représenté sur la figure (I.2) :
14
Figure I.2 : schéma équivalent d'une cellule solaire.
Pour une cellule idéale, le courant électrique débuté par la cellule s’exprime par :
I (V) = Iph(f) – Id (V) Où:
I(V) : courant disponible ; V : tension aux bornes de la jonction ; Iph (ø) : courant produit par la photopile, ce courant est proportionnel au flux lumineux (ø) ;
ID(v) = IS . e
q . V −1 J.K.T
K .T vaut 26 mV à 300 K pour le silicium ; q
J : coefficient d’idéalité de la diode ; Is : courant de polarisation de la diode. Cette représentation schématique de la photopile est idéalisée. Une
photopile comporte en réalité une résistance série (Rs) et une résistance en dérivation ou shunt (Rsh). Ces résistances auront une certaine influence sur la caractéristique de la photopile :
la résistance série est la résistance interne de la cellule; elle dépend principalement de la résistance du semi-conducteur utilisé, de la résistance de contact des grilles collectrices et de la résistivité de ces
grilles ; la résistance shunt est due à un courant de fuite au niveau de la jonction ; elle dépend de la façon dont celle-ci a été réalisée.
15
2.3Influence de l’ensoleillement et de la température 2.3.1 Influence de l'ensoleillement Nous avons vu que le courant produit par la photopile (I ph) est pratiquement proportionnel au flux lumineux (ø). Par contre, la tension (V) aux bornes de la jonction varie peu car elle est fonction de la différence de potentiel
à
la
jonction
N-P
du
matériau
lui-même
(pour
le
silicium
monocristallin, elle est de 590 mV pour Tj = 25 °C). La tension de circuit ouvert ne diminuera que légèrement avec le flux lumineux. Ceci implique donc que :
la puissance optimale de la cellule (P m) est pratiquement proportionnelle
à l’éclairement ; les points de puissance maximale se situent à peu près à la même tension (voir figure I.3)
Figure I.3 : influence de l'ensoleillement 2.3.2 Influence de la température La température est un paramètre important dans le comportement des photopiles, ne serait-ce que parce qu’une cellule exposée à une irradiance de 1kW/m2 n’en transforme en électricité que 12% au plus, le reste étant réfléchi 16
(6 il 8%) ou dissipé en chaleur (80 à 82 %). Ainsi, si la photopile n’est pas correctement ventilée, elle peut monter très haut en température et ses performances électriques peuvent se dégrader. La figure I.4 montre l'influence de la température sur la courbe de puissance d'une photopile.
Figure I.4: influence de la température sur la courbe
2.4 Le module photovoltaïque Les modules peuvent également être connectés en série et/ou en parallèle afin d’augmenter la tension et l’intensité d’utilisation. Toutefois, il importe de prendre quelques précautions car l’existence de cellules moins efficaces ou l’occlusion d’une ou plusieurs cellules (dues à de l’ombrage, de la poussière, etc.) peuvent endommager les cellules de façon permanente. 2.4.1 Association en série En additionnant des cellules ou des modules identiques en série, le courant
de
la
branche
reste
le
même
mais
la
tension
augmente
proportionnellement au nombre de cellules (modules) en série (voir figure I.5).
17
Figure I. 5 : Cellules identiques en série 2.4.2 Association en parallèle En additionnant des modules identiques en parallèle, la tension de la branche est égale à la tension de chaque module et l’intensité de courant augmente proportionnellement au nombre de modules en parallèle dans la branche (voir figure I.6).
Figure I.6 : cellule identiques en parallèles
18
2.5 Système photovoltaïque Les modules PV sont les éléments de base de tout système photovoltaïque. Ils peuvent être branchés en série pour augmenter leur tension d’utilisation et en parallèle pour augmenter leur courant. Cet ensemble est appelé le champ de modules PV (Figure I.7). L’énergie fournie par le champ peut être utilisée pour charger des batteries qui fourniront l’électricité au moment voulu. Elle peut aussi être utilisée en reliant directement les modules à la charge sans les batteries (comme pour une pompe solaire où l’eau sert de stockage), ou en les branchant sur un réseau électrique. Il est également possible de combiner la sortie du champ PV avec d’autres sources d’énergie telles une génératrice ou une éolienne qui serviront d’appoint si l’ensoleillement n’est pas suffisant.
Figure I.7: Composant d'un champ de module photovoltaïque
2.6 Système photovoltaïque sans batterie 2.6.1 Principe de fonctionnement Les systèmes photovoltaïques sans batterie servent habituellement à alimenter une charge unique, comme une pompe ou un ventilateur, à laquelle convient mieux une autre forme de stockage d’énergie que l’électricité (par exemple : réservoir d’eau surélevé) ou encore qui a besoin d’énergie pendant le jour seulement (par exemple: ventilateurs). Pour avoir une bonne adaptation, il faut brancher une charge dont la caractéristique couranttension se rapproche au plus près de la courbe de puissance maximale du système solaire, qui comme on l’a vu est pratiquement verticale autour d’une tension optimale. L’utilisation d’une batterie répond bien à cette contrainte car sa caractéristique de fonctionnement est en tout temps très près du point de fonctionnement maximal des modules.
19
2.6.2 Adaptation de charge L’adaptateur de charge (maximum power point tracker) est un dispositif électronique utilisé pour maintenir au maximum la tension de fonctionnement du champ, indépendamment des fluctuations de l’impédance de charge et des conditions de fonctionnement du champ causées par les variations de température et d’ensoleillement. Ainsi, l’adaptateur de charge remplit essentiellement la fonction d’un circuit d’adaptation d’impédance : il augmente beaucoup l’efficacité du champ, mais il consomme également de l’énergie. L’usager doit donc s’assurer que le gain d’efficacité n’est pas annulé par la consommation d’énergie de l’adaptateur. La figure I.8 montre comment l’adaptateur de charge règle la tension et le courant du champ pour que la charge puisse obtenir la puissance maximale de sortie du module photovoltaïque, peu importe les conditions ambiantes. À un faible ensoleillement, le point de fonctionnement du système passe de 1 à 1', augmentant de beaucoup la puissance fournie à la charge. À un ensoleillement moyen, le point de fonctionnement 2 correspond normalement au point de puissance maximal du champ PV. À un ensoleillement élevé, le point de fonctionnement du système passe de 3 à 3', correspondant à une légère augmentation de la puissance fournie à la charge.
20
Figure I.8 : Adaptation de la charge en modifiant le point de fonctionnement du champ PV
2.7 Dimensionnement d’un système PV sans batterie Le dimensionnement de ce genre de système diffère de celui d’un système avec batterie en ce que la dimension du champ photovoltaïque est déterminée par la nécessité d’assortir l’alimentation avec la demande d’énergie. En outre, il n’y a pas lieu de se préoccuper de la batterie. Les étapes de conception sont les suivantes : 1. Définir les conditions du site ; 2. Faire l’estimation de la charge ; 3. Dimensionner le champ et les appareils conditionneurs de l’énergie.
Lorsqu’il s’agit de pomper l’eau, la quatrième étape de l’analyse sera : 4 .Calculer le volume du réservoir d’eau. Comme il n’y a pas de batterie, le champ doit être dimensionné de façon à satisfaire à la charge pour les conditions d’ensoleillement les plus faibles. Le facteur d’utilisation nominal sera égal au nombre d’heures de soleil maximum durant le mois d’exploitation où L’ensoleillement est le plus faible.
3.Type de module photovoltaïque Les panneaux solaires ne sont pas construits de la même manière. En effet, il existe différents types de cellules qui n’ont ni même prix et ni même rendement. Actuellement sur le marché, les trois technologies majoritairement présentes et reconnues sont le monocristallin, le polycristallin et l’amorphe.
3.1 Cellules monocristallines
21
Figure I.9 : Cellules Photovoltaïques Monocristallines. Les cellules monocristallines sont les photopiles de la première génération. Elles sont élaborées à partir d’un bloc de silicium cristallisé en un seul cristal. Vues de près, les cellules ont une couleur uniforme. Elles ont un bon rendement, mais la méthode de production est laborieuse. Avantage:
Très bon rendement (23% en théorie et environ 17%dans la pratique).
Inconvénients:
Coût élevé Rendement faible sous un faible éclairement.
3.2 Cellules polycristallines
Figure I.10 : Cellules Photovoltaïques Polycristallines. Les cellules polycristallines sont élaborées à partir d’un bloc de silicium cristallisé en forme de cristaux multiples. Vues de près, on peut voir les orientations différentes des cristaux (tonalités différentes). Elles ont un rendement de 11 à 13%, mais leur coût de production est moins élevé que les cellules monocristallines. Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs
cristaux. 22
Ce genre de cellules est également bleu, mais n’est pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux. Avantage :
Bon rendement 13%, mais cependant moins bon que le monocristallin. Moins cher que le monocristallin Meilleur rapport qualité/prix.
Inconvénients :
Rendement faible sous un faible éclairement.
3.3 Cellules amorphes
Figure I.11 : Cellules photovoltaïques amorphes. Ces cellules sont composées d’un support en verre ou en matière synthétique sur lequel est disposé une fine couche de silicium (l’organisation des atomes n’est plus régulière comme dans un cristal). Leur rendement est de l’ordre de 5 à 10%, plus bas que celui des cellules cristallines mais le courant produit est relativement bon marché. Elles sont appliquées dans les petits produits de consommation (montres, calculatrices) mais sont peu utilisées dans le cadre des installations solaires. Avantages:
Fonctionnent avec un éclairement faible. Moins chères que les autres.
Inconvénients :
Rendement faible en plein soleil (environ 6%), 23
Performances qui diminuent sensiblement avec le temps.
3.4 Convertisseurs d’énergies Un
convertisseur
d’énergie
est
un
équipement
que
l’on
dispose
généralement soit entre le champ photovoltaïque et la charge pour une charge continu (sans stockage avec une charge en continu, il portera le nom de convertisseur continu- continu), soit entre la batterie et la charge (après stockage, il sera appelé onduleur ou convertisseur continu-alternatif). Le convertisseur remplit les fonctions suivantes: Conversion de courant continu en courant alternatif compatible avec la Tension du réseau, Optimisation de la tension continue de manière à ce que le champ de modules fonctionne dans des conditions de puissance optimales, Sécurité. Convertisseur continu-‐ continu Ce type de convertisseurs est destiné à adapter à chaque instant l’impédance apparente de la charge à l’impédance du champ PV correspondant au point de puissance maximale. Convertisseur continu- alternatif C’est un dispositif destiné à
convertir le courant continu en courant
alternatif. Les onduleurs autonomes: La conception de l’ensemble du système photovoltaïque de façon à extraire le maximum de puissance du générateur photovoltaïque, quelles que soient les perturbations d’éclairement et de la température, l’alimentation sous la tension alternative des appareils à partir des panneaux solaires nécessitent l’utilisation d’un onduleur assurant la conversion DC/AC. Dans le système de pompage photovoltaïque, la connexion entre le générateur photovoltaïque et la pompe entraînée par un moteur à courant alternatif est faite par un onduleur. Ce dernier permet de réaliser un transfert optimal de puissance entre le 24
générateur et le groupe motopompe sous les conditions variables de la puissance produite et de la demande en puissance. Ce transfert est contrôlé par une variation de fréquence.
3.5 Type des systèmes photovoltaïques Les trois genres des systèmes photovoltaïques que l’on rencontre généralement sont les systèmes autonomes, hybrides et connectés à un réseau. Les deux premiers sont indépendants du service public de distribution d’électricité; on les retrouve souvent dans les régions éloignées. 3.5.1 Système autonome Une installation photovoltaïque autonome est une installation qui produit de l'électricité grâce au soleil, mais qui fonctionne indépendamment du réseau électrique, ils peuvent comporter des accumulateurs qui emmagasinent l’énergie produite par les modules au cours de la journée servant la nuit ou lors des périodes où le rayonnement solaire est insuffisant. Ces systèmes peuvent également répondre aux besoins d’une application (par exemple, le pompage de l’eau) sans recours aux accumulateurs. En règle générale, les systèmes PV autonomes sont installés là où ils constituent la source d’énergie électrique la plus économique.
25
Figure I.12:Schéma descriptif du système autonome. 3.5.2 Systèmes hybrides Les systèmes hybrides, qui sont également indépendants des réseaux de distribution d’électricité, sont composés d’un générateur photovoltaïque combiné à une éolienne ou à un groupe électrogène à combustible, ou aux deux à la fois. Un tel système s’avère un bon choix pour les applications qui nécessitent une alimentation continue d’une puissance assez élevée, lorsqu’il n’y a pas assez de lumière solaire à certains moments de l’année, ou si on désire
diminuer
notre
investissement
dans
les
champs
de
modules
photovoltaïques et les batteries d’accumulateurs. 3.5.3 Systèmes connectés au réseau Les systèmes de production d’énergie photovoltaïque connectés à un réseau sont une résultante de la tendance à la décentralisation du réseau électrique. L’énergie est produite plus près des lieux de consommation sans demander de grandes centrales thermiques ou hydroélectriques.
Au fil du
temps, les systèmes connectés à un réseau réduiront la nécessité d’augmenter 26
la capacité des lignes de transmission et de distribution. Un système connecté à un réseau produit sa propre électricité et achemine son excédent d’énergie vers le réseau, auprès duquel il s’approvisionne au besoin; ces transferts éliminent le besoin d’acheter et d’entretenir une batterie d’accumulateurs. Il est toujours possible d’utiliser ceux-ci pour servir d’alimentation d’appoint lorsque sur vient une panne de réseau, mais ce n’est pas nécessaire.
Figure I.13: Schéma descriptif du système connecté au réseau.
4.CONCLUSION Dans ce chapitre nous avons défini les différentes composantes du rayonnement solaire qui interviennent dans le rayonnement global. Ensuite, une étude de base sur l’énergie photovoltaïque et leur composant, a été présentée afin de déterminer les paramètres essentiels contribuant à l’estimation des énergies captées par les cellules photovoltaïques (PV) pour la fonction des systèmes de pompage d’eau.
27
Chapitre 2 :
Pompage photovoltaïque
28
Chapitre 2 :
Le pompage photovoltaïque 1.Introduction Beaucoup de populations dans les zones rurales des pays en voie de développement affrontent de grands problèmes dus au déficit en eau. Ces problèmes sont spécialement accentués dans zones désertiques et semi-désertiques. Le déficit en eau dans les zones arides et semi-arides est une question vitale pour les populations. L’amélioration des conditions de vie dans ces zones est liée à la recherche des solutions adéquates à ce problème. Le pompage solaire photovoltaïque (PV), objet de ce chapitre, représente la solution idéale pour l’approvisionnement en eau partout où le réseau électrique est absent.
2.Description 2.1 Les
composants
d'un
système
de
pompage
photovoltaïque Le système de pompage solaire se compose des éléments suivants:
Un champ photovoltaïque, Un convertisseur DC-‐ AC pour les charges alternatives, Un moteur électrique chargé d’entraîner la pompe, Une pompe, Des tuyauteries (amont et aval), La partie stockage. Chacun de ces éléments assure une fonction bien déterminé :
29
• transformation de l’énergie rayonnante en énergie électrique (courant champ continu)
le convertisseu • conversion du r courant continue en courant alternatif
photovoltaiq ue
• transformation de l'energie electrique (courant alternatif) en energie mecanique
pompe
• conversion de l'energie mecanique en energie hydraulique
le moteur
Figure II.1 : chaîne de composant d’un pompage PV.
2.2 Description du principe Les panneaux solaires photovoltaïques produisent l’énergie électrique sous forme d’un courant continu qui est converti à travers un convertisseur statique pour alimenter un groupe moto-pompe immergé ou surfacique. Le groupe moto-‐pompe est composé d’un moteur à courant alternatif mono, bi ou triphasé ou à courant continu à commutation électronique qui est couplé à une pompe centrifuge ou à une pompe volumétrique ou autre suivant le débit recherché. La pompe centrifuge transmet l’énergie cinétique du moteur au fluide par un mouvement de rotation de roues à aubes alors que la pompe volumétrique transmet l’énergie du moteur par un mouvement hélicoïdale qui permet littéralement de propulser l’eau à la surface. Les panneaux solaires et le convertisseur sont des éléments statiques, la seule partie en mouvement du système est le groupe moteur-‐pompe. Les avantages de ce système sont nombreux, les plus évidents sont :
L’autonomie de fonctionnement, La fiabilité, Le bon rendement, La relation naturelle entre la disponibilité de l'énergie solaire et le besoin en eau.
30
Figure II.2 : Configuration générale d’un système de pompage photovoltaïque au fil du soleil. Hauteur manométrique totale La Hauteur Manométrique Totale HMT d’une pompe est la différence de pression En mètres de colonne d’eau entre les orifices d’aspiration et de refoulement. Cette Hauteur Peut être calculée comme suit : HTM=Hg+ΔH
(1)
Où:
Hg =hauteur géométrique entre la nappe d’eau pompée (niveau dynamique) et le plan d’utilisation (Hr + Nd). Pour une pompe de surface sur un plan d’eau, Hg sera choisi en fonction de la hauteur de
la pompe à son niveau le plus bas. ΔH = pertes de charge produites par le frottement de l’eau sur les parois des
conduites. Ces pertes sont fonction de la distance des
conduites (D), de leur diamètre (dc) et du débit de la pompe(Q) et s’expriment en mètres d’eau. 31
Niveau statique L e nive a u s ta tique (Ns) d’un puits ou d’un fora ge e s t la dis ta nce du s ol à la s urfa ce de l’e a u a va n t pompa ge Niveau Dynamique L e n ive a u dyna mique (Nd) d’u n puit ou d’u n fora ge e s t la dis ta nce du s ol à la s urfa ce de l’e a u pour un pompa ge à un dé bit don né . P our le ca lcu l de la HMT, le ni ve a u dyna miqu e e s t ca lculé pou r un dé bit moy e n. L a diffé re nce e ntre le ni ve a u dyna miqu e e t le nive a u s ta tiqu e e s t a ppe lé e ra ba tte me nt.
Figure II.3 : les niveaux statique et dynamique de la HTM δ =Rabattement de la nappe
⇒ «Perte de charge supplémentaire» : �
=
f(Q)
3.Définition générale du système de pompage d’eau 3.1 Hydraulique de pompe F
Energie mécanique
Pompe
Energie hydraulique
igure II.4 : Principe de conversion d’une pompe hydraulique 32
On distingue deux grande s familles de pompe s :
Le s pompes centrifuge s où le mou ve m e n t du fl uide e s t géné ré par la
force centrifuge. Le s pompes volumétrique s dont l’écouleme n t ré s ulte d’une variation de volume de l’e space occupé par le liquide.
3.2 Caractéristiques des pompes
Débit = Volume de liquide pompé par unité de temps (l/s, m 3 /s, m 3 /h). H au te u r d’élé vation totale ou H au te ur Manométrique T otale HMT noté e H(m).
3.2.1 Rendement global de la pompe: η Comme toute m ac hine e ntraîné e , un e pompe consomme un e pui s s a nc e s upérieure à celle qu’ elle fournit. L e re ndem e n t d’une telle machine e s t le rapport de la pui s s a nc e hydraulique acqui s e par le fl uide à celle disponible s u r l’arbre : η=
ρ . g . Q . HMT Pa
(2)
HMT: hauteur ma nométrique totale (m), Q : débit (m 3/h), Pa : puis s a nc e fournie par le moteur, g : const a nte de la gravité (9,81 m/s 2), ρ : la den sité de l’e au (1000 kg/m3). 3.2.2 Couplage des pompes Da n s l’utili s atio n pr atiqu e de s pomp e s , on rec h erc h e so uv e nt so it à a ugm e nt er la h a ut e ur HTM soit à a ugm e nt er le débit. Donc, deux po s s ibilit é s exi st a nt e s :
Couplag e e n s ér i e
Couplag e e n par allèl e
Couplage en série
33
Figure II.5: Système de couplage en série. Le système couplé fournit est : H1 + H2 avec un débit Q.
Figure II.6 : Point de fonctionnement de pompes en série. Couplage en parallèle
34
Figure II.7 : Système de couplage en parallèle L e s y st è m e coupl é four nit Q1 + Q2
.
Figure II.8 : Point de fonctionnement de pompe en parallèle. 3.3
Types de pompes photovoltaïques L e s pompe s à e a u so nt h abitu elle m e nt cla s s é e s s e lo n leur principe de
fonctionn e m e nt, soit de type volum étriqu e ou c e ntrifuge . Outre c e s deux cl a s s i fi c ation s qu e nou s décriron s plu s loin, on di sti ngu e ég al e m e nt deux a utr e s type s de pompe s e n fonction de l’ e mpl ac e m e nt phy siqu e de la pomp e par r apport à l’ e a u pomp é e : L a pompe à a spir atio n et la pompe à refoul e m e nt.
35
3.3.1 Pompes centrifuges Ces pompe s utilis e nt le s variations de vite s s e du fl uide pompé pour obtenir un accrois s e m e nt de pres sion. L’ é nergie m éc anique du moteur e st tran s mi s e au fl uide. La vite s s e donné e au fl uide va fournir une é nergie cinétique à celui-ci. L’ én ergie cinétique e st e n s uite tran sformée e n é nergie de pres sion. Le s caractéristique s de s pompe s centrifuge s so nt : Le couple d’entraînem e nt de la pompe e st pratiquem e nt nul au démarrage. (Particulièreme nt intére s s a nt dan s le cadre de l’utilis ation de s module s photovoltaïque s car la pompe tourne m êm e par trè s faible
e n soleillem e nt) ; Il n’y a pa s ou pre squ e pa s d’a spiration. E lle s doivent être a morcée s pour fonctionner
de
m a nière
à
éviter
tout
risque
de
de struction
si
fonctionne m e nt à s ec, certaine s sont auto-a morçant, Peuvent être imm ergée s ou de s urfac e ; Plu sieur s étage s (cage + roue à ailette s) peuvent être s uperposé s pour obtenir
de
grande s
pre s sions.
Figure II.9 : Schéma d’une pompe centrifuge.
36
3.3.2 Les pompes volumétriques Utilis e nt le s variations de volume du fl uide pompé pour obtenir un accrois s e m e nt de pres sion. Le fl uide e st d'abord a spiré par l'accrois s e m e nt d'un volume puis refoulé par diminution de ce mê m e volume. Le s pompe s volumétrique s utilis é e s le plus couramm e nt sont le s pompe s à pistons, à pal ette s et à e ngrenage s . Leur s principaux atouts sont le s s uivants : 3 E ll e s sont destiné e s aux faible s débits (inférieur à 5m /h) et aux grande s
haut eur s, E ll e s ont de bons rendem e nt s, et le s pompe s de s urface so nt auto-
a morçant, Le couple de démarrage d’une pompe volumétrique (de 3 à 5 fois le couple nominal) et la caractéri stique I = f(V) de ce type de pompe font que so n fonctionne m e nt e n direct s ur un panne au photovoltaïque n’ e st pa s
économiqueme nt
viable.
Pour
pallier
au
problèm e
de
s urdimen sionnem e nt du génér ateur ré sultant de cette inadaptation, un adaptateur d’impédanc e e st utilis é pour permettre un rendeme nt au s si él evé que pos sible de l'e n s e mble du sy stèm e.
4.Choix et dimensionnement de la moto-pompe Pour défi nir la puis s a nc e utile au fonctionnem e nt de la pompe développé e par
le s
panne aux
solaire s, le s donné e s minimum s so nt : 1) L a s ituation géographique pour déterminer l’en soleilleme nt et la radiation solaire globale. 2) Dé fi nir
le
2
(KWh/m /j)
qui
e st
fonction
de
la
durée
en
heure
de
l’en soleilleme nt maximal et de la durée du jour. 3) Choisir une pompe e n fonction du débit et de la HMT, 4) Utilis er le s abaque s de rendeme nt des pompe s fourni s par le constructeur qui donne nt e n fonction du H S P la puis s a nc e n éc e s s aire développée W p par le s panne aux pour faire fonctionner la pompe dans cette gamme de débit, et de HMT,
37
5) Dét erminer le nombre de panne aux : W p (total) /P
n
(Puis s a nc e nominal e
d’un panne au), 6) Vérifi er la ten sion nominale pour le fonctionnem e nt de l’onduleur (selon le s modèle s), 7) Calculer le débit in stanta né à l’en soleilleme nt m aximal à l’aide de l’abaque donna nt le débit e n fonction de la pui s s a nc e W cc = 0,8 x Wp.
5.Choix de la moto‐pompe 5.1 Choix de pompe 5.1.1 Puissance d’une pompe Pour
véhiculer une
certaine
quantité
d'eau d'un point à un autre, la
pompe doit tran s m ettre au liquide de l'énergie. Cette quantité d’énergie s er a la m êm e quelle que soit la technologie et e st donné e par la puis s a nc e de la pompe. Cette puis s a nc e peut être calculé e à l’aide du théorème de B er noulli e n considér ant tous le s param ètre s tels que l'altitude de pompage, l'altitude de refoulem e nt, la longueur et le diam ètre de s tuyaux. Cependant, a fi n de s implifi er
au
maximum
tous
ce s
calculs,
le s
praticien s
utilis e nt
deux
param ètre s qui caractéris e nt tout sy stèm e de pompage dan s un ré s e au : le débit (Q) et la H auteur Manométrique Totale (HMT). L a pui s s a nc e absorbée s ur l’arbre de la pompe e st alors donné e par la formule s uivant e (cas de l’eau, poids spécifi que égale à 1) : P=
Q . HTM 367.η
(3)
Pkw : Pui s s a nc e e n KW (1KW = 1.36 CV), HTM : H auteur Manométrique Totale, Q : Débit (m 3 /h), η : R e ndem e nt de la pompe. 5.1.2 Pompes de surface ou les pompes immergées L e choix d’une pompe s e fe ra e n fonction des caractéri stiqu e s hy draulique s de l’installation e n vis agé e (débit, hau teu r m a nom étrique totale , e tc.) m ais é galem e n t e n fonction des conditions particulière s d’utilis ation 38
(puits , forage , pompag e de rivière etc.).
B.1 Pompe surfacique
Figure II.10 : moto -pompe de surface. B.2 pompe immergé
39
Figure II.11 : Pompe électrique refoulant immergée multi-étage. 5.1.3 Choix du Moteur A. Puissance du moteur
La pui s s a nc e du moteur néc e s s aire pour e ntraîner la partie hydraulique e st toujour s s upérieure à la pui s s a nc e absorbée par l’arbre compte tenu des perte s diver s due s à la tran s mi s sion, d’erreur s de calcul des perte s de charge produite au n ive au de la pompe et du couple de démarrage. B. Types de moteurs
L a pompe n éc e s si te un e é ne rgie m éc a nique e n e ntré e . Cette é n e rgie m éc anique e s t fournie dans la plupart des cas par un moteu r . Le s deux types de moteurs disponible s sont les moteurs à coura n t continu e t les mote urs a s ynchrone s . Quelque s a va ntage s e t inconvénie nts de chacun so nt donné s dans ce tableau. Moteur à courant continu Avantages
Moteur asynchrone Fiabilité, nécessite peu
Facilité de régulation (variation de Vitesse, couple,...)
d'entretien, rendement 90%
Rendement90%
40
Difficulté et coût de Coût d'entretien.
régulation
Le système balai
(nécessite la réalisation
collecteur est à changer
de commandes
Inconvénients
vectorielles)
Donc la cla s sifi cation des pompe s peut s e faire s elon différents critères :
conception
centrifuge
déplaceme nt positif
position dans le systeme
type de moteur utilisé
de surface
courant continue
courant alternatif
immergée
5.2 Dimensionnement d’un système photovoltaïque autonome L a conception e t le dimen sionnem e n t d’un cham p photovoltaïque précis e s t e n réalité un proce s su s relative m e n t comple xe car il y a de nombre u x para m ètre s à pre ndre e n
considé ration,
la m é téorologie e t s urtout de
multiples inte ractions e ntre les choix. Par e xe mple, la consomm ation du régul ate ur de charge, de l’onduleu r , le choix de ces param ètre s dépe nd de la taille du cham p photovoltaïque , lui-‐m êm e déterminé par la consommation. Le s ét ape s ci-‐de s sous nous pré s e n te nt la déma rche à s u ivre pour conce voir un s y s tè m e photovoltaïque autonome : 41
1 :
Détermination
des
be soins
de
l’utilis a teu r
:
te n sion,
Etape
pui s s a nc e des Appareils e t durée s d’utilis ation. Etape 2 : Chiffrage de l’énergie solaire
l’emplac em e n t e t la s ituation géographique. Etape 3 : Dé fi nition des module s photovoltaïque ,
fonctionne m e n t, Technologie , puis s a nc e totale à installer. Etape4: Choix du régulateur. Etape5 : Choix de l’onduleur. Etape6 : Plan de câblage : détermination des acce s soire s de câblage e t
des S e ctions de câble s. Etape7 : coût du sy stèm e.
récupé rable
s elon
te n sion
de
6.CONCLUSION Afi n d’introduire le s élém e nt s de bas e de notre étude portant s ur le dimen sionnem e nt d’un sy stèm e de pompage photovoltaïque de stiné e à l’irrigation,
un
aperçu
s ur
le s
diff érents
composa nts
d’un
sy stèm e
photovoltaïque d’une ma ni èr e génér ale a été prés e nté dan s ce chapitre. Le s différent s type s de pompe s utilis é s dan s ce domaine so nt exposé s avec leur s principe s de fonctionnem e nt.
42
Chapitre 3 :
Etude technico-économique comparative des différents systèmes de pompage
43
Chapitre 3 :
Etude Technico-économique comparative des différents systèmes de pompage 1.Introduction Après avoir donné une idée générale sur le système de pompage photovoltaïque, on va passer à une étude de cas permettant de dimensionner un système de pompage photovoltaïque pour alimenter une terre agricole située dans la région de Guelmim, plus précisément à LAKSABI. L’étude porte sur les deux voix techniques et économiques. Une étude comparative entre le système de pompage à base d’énergie photovoltaïque et celui alimenté par le réseau électrique national (ONE) est présentée.
2.Étude analytique 2.1 Bilan énergétique 2.1.1 Estimation du besoin en électricité A partir des besoins nécessaires en volume d’eau pour chaque mois de l’année et des caractéristiques du puit considéré, nous pouvons calculer l’énergie hydraulique moyenne (Eh) journalière et mensuelle nécessaire par la relation suivante :
�h = �h����
(4)
Avec :
Eh Ch Q HMT
: l’énergie hydraulique. : constante hydraulique. : débit de l’eau. : hauteur manométrique total. 44
L’énergie électrique nécessaire pour soulever une certaine quantité d’eau sur une certaine hauteur pendant une journée est calculée à partir des données de débit et de HMT requises et est exprimée en Watt-Heure (Wh). L’énergie Requise pour la pompe : Eélec =
Eh C h .Q . HMT = RP RP
.
(5)
Où
Eh : est habituellement exprimé en kWh. Rp : Rendement de la moto-‐pompe. 9,81 [ m . s 2 ] . 1000 Ch =ρ . g= 3600
[ ]
[] s h
kg m3
=2,725
[
kg . s−3 . h 2 m
].
Ou :
g : constante de la gravité. ρ : la densité de l’eau.
2.1.2 Estimation de l’ensoleillement maximal
2.1.2.1
Estimation de la puissance requise par les modules Un module photovoltaïque se caractérise avant tout, par sa puissance
crête Pc (W),
puissance dans les Conditions Standard de Test STC (1000
W/m2 à 25 °C). Si le module est exposé dans ces conditions, il va produire à un instant donné une puissance électrique égale à cette puissance crête, et si cela dure N heures, il aura produit pendant cette durée de temps une énergie électrique Epro avec : E pro =N . Pc
(6)
N : Nombre d’heure d’exposition aux conditions STC [h]. Pc : puissance crête [wc] .
45
2.1.2.2
Puissance optimal du champ photovoltaïque L ’optimisation de
la puissance captée par le champ PV revient à
multiplier l’irradiation solaire incidente E s o l m a x sur une surface inclinée S (m²) par ca valeur maximal : Pe =E solmax . S . A
(7)
Où :
2.1.2.3
Esolmax : L’énergie maximale captée sur le plan incliné optimal
S : Surface d’un module du champ photovoltaïque (m²). A : nombre optimal du champ photovoltaïque.
W 2 m
( ).
Puissance optimale à la sortie du champ PV L ’optimisation de la puissance à la sortie du champ PV revient à
remplacer les valeurs optimales du rendement et la puissance d’entrée du champ PV. Pch=R ch . Pe
(8)
Où :
Rch : rendement optimal de champ photovoltaïque. Pe : puissance optimal à l’entrée du champ photovoltaïque. En remplaçant Pe par son expression, la puissance à la sortie du champ
PV aura la forme suivante : Pch=R ch . E solmax . S . A
(9)
Alors La puissance hydraulique crête (P h) nécessaire en fonction de la puissance électrique crête fournie par le champ photovoltaïque (Pch) est donnée par:
Ph = Pch.Rp
(10)
46
P
Pc
E
h
champ P.V
Ph
motopompe
charge
Figure III.1 : Processus de transformation d’énergie
2.2 Analyse économique 2.2.1 Cout estimatif du mètre cube d’eau Pour une estimation du coût relatif du m3 d’eau pompée par le système, il a été pris en considération l’ensemble des rubriques. Le coût global actualisé comprend le coût d’amortissement et le coût de fonctionnement pendant toute la durée d’utilisation du système.
La quantité journalière moyenne d’eau pompée (m3/J) La quantité d’eau pompée annuellement est estimée (m3/an) La poursuite de l’analyse des chiffres nous conduit de déterminer dans
ces cas particuliers un coût du mètre cube d’eau. Nous considérons deux hypothèses:
Toute l’eau productible est utilisée, Compte tenu des variations saisonnières de consommation et du gaspillage, on suppose que seulement 70% de l’eau productible est utilisée.
Le coût d’un système de pompage peut se décomposer en trois parties:
Le coût de l’électropompe et de l’électronique associée, Le coût du générateur photovoltaïque (modules, supports et câblage), Enfin celui des accessoires (câble électrique de la pompe, tuyau de refoulement, etc.). Dans une gamme de pompes, c’est la puissance du générateur qui fait
varier le coût. Le type de moteur , de l’électronique et de l’hydraulique n’a que très peu d’influence sur le coût de l’ensemble. Le pompage photovoltaïque met en jeu des générateurs photovoltaïques de tailles importantes, et son coût est donc très influencé par le prix de 47
marché du module solaire. Il est à souligner que ce coût peut varier dans de larges proportions, en fonction de l’année. Il dépend en outre de plusieurs paramètres importants:
Les visites pour le suivi de cette installation peuvent être très fréquentes, à cela les
frais
de
maintenance
et
d’entretien
peuvent être élevés et par conséquent Peuvent faire augmenter le coût réel du mètre cube d’eau. Le changement de certains composants
du
système
fait
augmenter également le coût du mètre cube d’eau. 2.2.2 Hypothèses et calculs des coûts d’un système photovoltaïque Le coût de l’installation du système de pompage photovoltaïque sur un site donné tient en compte tous les coûts relatifs au montage du générateur photovoltaïque et le sous-‐ système de pompage tel que : la structure du générateur, le béton, le câblage, tuyauteries, coudes, etc. Durant cette durée de vie, le système ne nécessite pas une très grande maintenance. Le générateur ne nécessite pas de maintenance sauf quelques interventions de nettoyage de sa surface exposée au soleil des dépôts de poussières. Ainsi donc, la maintenance annuelle du système se limite à la maintenance du sous-système de pompage. Le calcul du coût d’un système photovoltaïque requiert la connaissance des éléments Suivants :
La durée de vie,
Le coût ou l’investissement initial,
Les coûts de maintenance annuels relatifs au système photovoltaïque,
Les coûts de remplacements des différents sous-‐ systèmes,
Les profits réalisés.
Equipement et matériels solaires Sont les principaux composantes du système photovoltaïque : c'est-à-dire les modules photovoltaïque, les onduleurs, la motopompe et les diverses accessoires utilisés dans l’installation (câbles, boîtiers,…). 48
Etude technique et réalisation Pour tout projet de réalisation et d’installation d’un système de pompage photovoltaïque, il faudrait ajouter les frais dû à l’étude, étude de prospection et visite du site. Travaux de génie civil Les frais relatifs aux travaux de génie civil (réalisation du puits ou du forage, socles pour les structures, réalisation du bassin ou du réservoir d’eau). Installation Dans le cadre de l’installation sur site, une équipe de techniciens (installateurs) spécialistes est directement mise en place. Le poste relatif au montage, à l’installation et à la mise en service du système photovoltaïque peut être évalué à 8 % du coût global de l’installation, il représente l’ensemble des frais occasionnés à la réalisation et l’installation de la centrale sur le site prévu. Le coût de l’entretien Remplacement de composants : 2.2.2.1
Remplacement de modules. Remplacement du moto- pompe. Réparation de l’onduleur. Entretien génie civil.
Coûts initiaux L’investissement initial permet à l’utilisateur de savoir quel est le prix qu’il va payer lors de
l’installation de son système. Aussi, d’autres informations très importantes constituent des critères de choix, à savoir : Le coût du système photovoltaïque sur sa durée de vie. Le coût de l’énergie consommée par l’usager sur toute sa durée. Le coût du kWh consommé dépendra des profits engendrés mais également de l’énergie Photovoltaïque consommée par l’utilisation. Les coûts initiaux comprennent les dépenses effectuées lors de l'installation du système PV c'est à dire les composants du système PV, leur transport et leur installation, ainsi que les coûts de génie civil associés. De même, des frais généraux couvrant les frais de conception, de surveillance du chantier doivent être pris en considération.
49
2.2.2.2
Coûts récurrents
Les charges récurrentes peuvent se diviser comme suit: Les frais de fonctionnement - Dépenses de petites réparations : fuites d'eau, maçonnerie, etc. Les frais d'entretien et de réparation - coût d'intervention du personnel qualifié assurant la maintenance du système, - la réparation éventuelle des composants (main-d’œuvre et déplacement). Les frais de renouvellement - Le coût des composants (Générateur PV, Onduleur,…) à renouveler durant la durée de vie du système. 2.2.2.3
Coût sur la durée de vie du système Le coût sur la durée vie du système est fonction de l’investissement initial, du coût annuel
d’entretien et de maintenance et du coût de remplacement éventuel de certains sous-systèmes. C vie=I 0 +C ent /main + Cremp
(11)
Où
I0 : Coût initial de système. Cent/main : Coût d’entretien et le coût de maintenance. Crempl : Coût de remplacement.
3.Application : Etude de cas Cette
partie
consiste
à
dimensionner
un
système
de
pompage
photovoltaïque en vue d’alimenter en eau une surface agricole d’environ 5ha située à LAKSABI (village localisé à 10km de la ville de Guelmim). Les caractéristiques géographiques de la zone sont données par : • Latitude : 28°59′13″ Nord • Longitude : 10°03′26″ Ouest • L’altitude par rapport au niveau de la mer : 301 m
50
3.1 Infrastructure hydraulique existante :
1 forage de 27 m de profondeur.
Moteur à gaz (butane) + une batterie.
2 bouteilles de butane. 51
3.2 Méthode pratique de dimensionnement Les différentes étapes pour le dimensionnement d’un système de pompage sont : Evaluation des besoins en eau. Calcul de l’énergie hydraulique nécessaire. Détermination de l’énergie électrique pour le choix de la pompe. Détermination du nombre de panneaux solaires nécessaires et leurs dispositions. 3.2.1 Evaluation des besoins en eau Supposons que le groupe moteur diesel fournit un débit maximum de 15m3/h. En prenant en compte les pertes au niveau tuyauterie de refoulement, le débit moyen peut être évalué à : Qmoyenne =13 m3 /h Avec une hauteur manométrique estimée en :
HMT = 25 m.
52
3.2.2 Calcul de l'énergie hydraulique nécessaire Une fois les besoins nécessaires en volume d’eau ainsi que les caractéristiques du puit sont connus, nous pouvons calculer l’énergie hydraulique moyenne nécessaire à partir de la relation : �h = �h × � × ��� Ce qui conduit à :
�h= 2,725 x 13 x 25 ⇒
�h= 885,62 Wh
3.2.3 Estimation de l’énergie électrique L’énergie électrique nécessaire est liée à celle hydraulique par l’expression suivante : Eelec =
Eh ¿ Rp
* : le rendement crête du sous-système moteur-pompe est de 50 %, Eelec =
Eh ¿ Rp
⇒
Eelec =
885,62 50
⇒ Eelec =1,77 Kwh Pour le bon fonctionnement équivalent à cette énergie on choisit ce type de pompe :
Une pompe LORENTZ PS1800 C-SJ5-8
53
Détermination du nombre de panneaux solaire nécessaire et leurs dispositions. Pour notre étude, on choisit des panneaux solaires monocristallins « Solarworld » ayant les caractéristiques suivantes :
*
*:
Un Maximum Power Point Tracking (abrégé MPPT, litt. dispositif de poursuite du point de puissance maximale), régulateur MPP ou un tracker MPP est un principe permettant de suivre, comme son nom l'indique, le point de puissance maximale d'un générateur électrique non linéaire. Les systèmes MPPT sont généralement associés avec les générateurs photovoltaïques ou encore avec les générateurs éoliens.
On passe maintenant au calcul du nombre de panneaux photovoltaïques nécessaire à cette installation. Il est donné par :
N=
1770 230
≈ 8 panneaux
Si on prend en considération la chute de tension due aux câbles et au système de commande et de contrôle, on doit choisir :
N= 10 panneaux 3.2.4 Le raccordement des panneaux : Au début faut connaitre les caractéristiques du contrôleur* de la pompe qui sont : 54
*:
contrôle du système de pompage et signalisation des états de fonctionnement montage en surface (pas d’électrique immergée)
deux entrées pour sonde de niveau d’eau (Protection contre le fonctionnement à sec), interrupteur à flotteur, -pressostat, commande à distance, etc.
reset automatique 20 minutes après arrêt de la pompe par la sonde de niveau
protection contre les inversions de polarité, surcharges et températures excessives
contrôle de vitesse, vitesse maximale ajustable pour réduire le débit d’environ 30%
fonctionnement solaire direct : MPPT (Maximum Power Point Tracking, point de Fonctionnement max)
fonctionnement sur batteries : Protection contre les décharges profondes, reconnexion après recouvrement rendement max. 92% (moteur + contrôleur)
Pour un seul panneau monocristallin on a : Tension (V) 1 panneau P.V
29
Le courant (A)
La puissance
8,67
(W) 230
mono. Tableau III.1 : caractéristiques d’un panneau monocristallin.
55
D’après le calcul, et en tenant compte le fait que Umax= 200V et Imax= 32 A avec une pompe immergée, le raccordement des panneaux sera comme suit : Tableau III.2 : Raccordement du générateur PV du cas étudié
Raccordemen t 5 en série
Puissance
Tension(V)
Courant (A)
147
8,67
1,2
147
17,34
2,4
(KW)
5 en série // 5 en série Ce qui nous permet d’aboutir au montage suivant :
56
Figure III.1 : le raccordement des panneaux P.V.
3.3
Estimation du cout du dimensionnement du cas étudié La facture suivante montre clairement que le générateur photovoltaïque constitue l’élément de
base d’un système de pompage photovoltaïque ; il représente la part la plus importante dans la structure des coûts.
57
Figure III.2: LA Facture du cas étudié par PV.
Avec un total de :
69
588.OO DH 3.4
Coûts de la quantité d’eau pompée par notre
générateur photovoltaïque : En prenant en considération la durée de vie du système photovoltaïque qui est de l’ordre de 25 ans, on aboutit alors à :
Le coût de la quantité pompée durant une année :
58
69 588 DH 25 ans
2 783 ,52
=
DH an
Le coût de la quantité pompée durant une journée : 2 783,52 DH 366 jours
= 7,60
DH jours
Il est à noter que la durée de fonctionnement de la pompe par jour est d’environ 10 h avec un débit de 13 m3/h. Ce qui nous permet de trouver le débit journalier :
Q = 130
m3 jour
4.Estimation de coût de l’électricité (ONE) 4.1
Taux de desserte domestique et tarifs objectifs Le taux de desserte dépend de deux facteurs principaux : la capacité et
volonté de payer les frais initiaux de raccordement (raccordement étant ici et plus loin utilisé pour le réseau et le solaire) et la capacité et volonté de payer les tarifs mensuels du service. Les niveaux de servie chez l’ONE son illustre suivant le niveau du consommateur:
Grands comptes Collectivistes Professionnelles Résidentiels
Le niveau professionnel le plus répandu au pompage d’eau est caractérisé par deux niveaux
de
tension
(moyenne
tension
et
basse
tension) : Moyenne Tension (MT)
Elevage Condit i onnement de produits agricoles Distribution des eaux d'irrigation 59
Culture Etc... Basse tension (BT)
Alimenter des appareils de force motrice (motopompes) pour des besoins d'irrigation, de pompage.
Figure III.3 : les catégories de niveau de tension sur le niveau professionnelles.. Tarif et simulation de facture MT Tarif Général MT-‐ professionnel
Il est constitué d'une prime fixe pour la facturation de la puissance souscrite et un prix de kWh par poste horaire. Les tarifs sont exprimés en DH, avec TVA comprise (TVA est de14%). Prime fixe par KVA et par An Redevance de consommation par kWh et par mois Heures de pointe (entre 17h et 22h) Heures pleines (entre 7h et 17h) Heures creuses (entre 22h et 7h)
381,40 1,2265 0,8051 0,5239
Tarif et simulation de facture BT : Tarif basse tension(BT) – Professionnel
Clients force motrice, industriels et agricoles Les tarifs sont exprimés en dirhams TVA comprise (TVA est de 14%).
Tranches de consommation mensuelle
Prix du KWh
0 à 100 kWh
1,1909
101 à 500 kWh
1,2803
> à 500 kWh
1,4632
60
4.2 Le coût énergétique : cas d’alimentation par le réseau électrique : Tout d’abord, on constate que la consommation ne dépassera pas la première
tranche. Par
ailleurs, l’énergie électrique nécessaire
pour
le
fonctionnement de la pompe est d’environ : Eelec =1,77 KWh
On calcule le coût du volume global pompé par jour : La consommation journalière de la pompe, fonctionnant 10 h par jour, est donné alors par : 1,77 × 10× 1,1909=21,078
DH jour
4.3 Etude comparatif entre ces deux sources d’énergies Tableau III.2 : le coût de chaque source de pompage en fonction du débit
Débit
/an)
475 800 (m3/10ans)
7,60 DH
2 781 DH
27 810 DH
21,078 DH
7 714 DH
77 140 DH
(m /temps)
130 (m3/jour)
PV ELEC
3
47 580(m3
61
Le coût en fonction du débit 120000 77,140 100000
80000
le cout (DH)
ELEC
60000
PV
40000 27810 20000 7,714 0 0 130
2781 47 580
475800
le debit en fontion de temps (m3/temps) La figure suivante montre la différence entre le coût de chaque source d’énergie (photovoltaïque et le réseau électrique) : Figure III. 3 : Courbe illustrant le coût en fonction du débit pour un HMT fixe de (25 m) En comparant les coûts des deux systèmes de pompage alimentés différemment, Il a été constaté sur la figure III.3, que le système de pompage par énergie solaire photovoltaïque constitue une part importante dans le coût relatif à l’investissement des équipements par rapport aux autres coûts, comme l’entretien et la maintenance, par contre le coût d’exploitation étant nul. Concernant les systèmes de pompage par réseau électrique, les coûts de l’exploitation ne sont pas négligeables par rapport au coût de l’investissement total du système, et cela, pour une hauteur manométrique totale (HMT) fixe. 62
5. Conclusion Ce chapitre a été consacré à une étude économique comparative détaillée entre les deux techniques de pompage d’eau, pompage par énergie solaire photovoltaïque et pompage en utilisant le réseau électrique. Après une analyse approfondie de chaque technique, nous avons comparé les deux techniques de pompage par une étude comparative du coût global d’un m 3 par jour d’eau pompée. Dans ce chapitre, nous avons bien compris que le coût du kWh produit par l’énergie solaire photovoltaïque est composé de plusieurs parties ; les frais d’amortissement et d’investissements présentent la part la plus importante. Les frais d’exploitation est bien évidemment nulle. Il reste, cependant,
une
partie
faible
ou
moyenne
pour
les
frais
d’entretien
(maintenance). Cette composition du coût (du kWh produit) est complètement différente dans le cas du réseau électrique où les frais de l’investissement sont faibles alors que les frais de la facture de la fin du mois est très importante ! Enfin, Bien qu’il soit plus claire maintenant que ce n’est pas toujours facile de choisir laquelle des deux techniques de pompage d’eau est la meilleure, puisque le choix dépendra de plusieurs facteurs, il semble que l’avenir est pour l’énergie solaire photovoltaïque.
63
Conclusion générale Ce travail a été consacré à une étude technico-économique d'un système de pompage photovoltaïque. On peut rapidement comprendre et justifier l’intéressement à l’énergie solaire pour pomper l’eau. D’abord, l'énergie
solaire
photovoltaïque
est
une
énergie
propre,
silencieuse,
disponible et gratuite. C’est d’ailleurs ce explique que son utilisation connaît une croissance significative dans le monde. D’autre part, la demande d’énergie électrique, essentiellement pour les besoins des zones rurales et les sites isolés, ne cessent d’augmenter, en particulier, les systèmes de pompage d’eau. Classiquement sur ce type de site, on utilise l’énergie conventionnelle par groupe électrogène ou l’énergie fournie par le réseau (ONE). Une étude économique comparative détaillée entre les deux techniques de pompage d’eau, pompage par énergie solaire photovoltaïque et pompage en utilisant le réseau électrique, nous a appris l’importance du calcul du coût du kWh produit. L’exemple applicatif que nous avons utilisé pour mieux comprendre le coût dans chaque technique, nous a montré que la technique de pompage par réseau semble être la moins coûteuse au début de l’exploitation. La balance devienne clairement en faveur de la solution de pompage
par
énergie
solaire
photovoltaïque
après
quelques
années
d’exploitation (10 ans environ). Le point « faible » de cette dernière solution reste l’investissement initial qui favorise clairement la solution de pompage par le réseau (ONE). Cela ne veut pas dire que la technique de pompage par réseau sera systématiquement la meilleure. En effet, notre étude et analyse ont montré qu’il faut prendre en considérations d’autres facteurs importants lors d’un éventuel investissement. Enfin, bien qu’il soit plus claire maintenant que ce n’est pas toujours facile de choisir laquelle des deux techniques de pompage d’eau est la meilleure, il semble que l’avenir est pour l’énergie solaire photovoltaïque. 64
Par conséquent, le développement de ce type d’énergie décentralisé, en particulier dans le sud de notre pays, est très recommandé puisqu’il permet l’accès à l’eau facilement et à moindre coût dans n’importe quel endroit.
65
Liste des figures o o o o o o o o
Figure Figure Figure Figure Figure Figure Figure Figure
I.1 Description de la cellule photovoltaïque. I.2 : schéma équivalent d'une cellule solaire. I.3 : influence de l’ensoleillement. I.4: influence de la température sur la courbe. I. 5 : Cellules identiques en série. I.6 : cellule identiques en parallèles. I.7:composant d'un champ de module photovoltaïque. I.8 : Adaptation de la charge en modifiant le point de
o o o o o o o
fonctionnement du champ PV. Figure I.9 : Cellules Photovoltaïques Monocristallines. Figure I.10 : Cellules Photovoltaïques Polycristalines. Figure I.11 : Cellules photovoltaïques amorphes. Figure I.12:Schéma descriptif du système autonome. Figure I.13: Schéma descriptif du système connecté au réseau. Figure II.1 : chaîne de composant d’un pompage PV. Figure II.2 : Configuration générale d’un système de pompage
photovoltaïque au fil du soleil. Figure II.3 : les niveaux statique et dynamique de la HTM . Figure II.4 : Principe de conversion d’une pompe hydraulique. Figure II.5: Système de couplage en série. Figure II.6 : Point de fonctionnement de pompe en série. Figure II.7 : Système de couplage en parallèle. FigureII.8 : Point de fonctionnement de pompe en parallèle. Figure II.9 : Schéma d’une pompe centrifuge. Figure II.10 : moto -pompe de surface. Figure II.11 : Pompe électrique refoulant immergée multi-étage. Figure III.1 : le raccordement des panneaux P.V figure III.2: LA Facture du cas étudié par PV. o Figure III. 3 : courbe illustrant le cout en fonction du débit pour un HMT fixe o o o o o o o o o o o
de (25 m).
66
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