Comment fabriquer une pompe solaire : Différence entre versions

De Howtopedia - français
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Solar pumps are used principally for three applications:<br />
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Les pompes solaires sont utilisées principalement pour trois applications:<br />
  
 
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• village water supply<br /> • livestock watering<br /> • irrigation
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• l'approvisionnement en eau du village<br />
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• l'abreuvement du bétail<br />
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• irrigation
  
 
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<br /> A solar pump for village water supply is shown schematically in Figure 1. With village water supply, a constant water demand throughout the year occurs, although there is need to store water for periods of low insolation (low solar radiation). Typically in Sahelian Africa the storage would be 3-5 days of water demand. In environments where rainy seasons occur, rainwater harvesting can offset the reduced output of the solar pump during this period. The majority of the 6000 or more solar pumping systems installed to date are for village water supply or livestock watering.
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<br /> Une pompe solaire pour l'approvisionnement en eau du village est schématisée à la figure 1 . Avec l'approvisionnement en eau du village, une demande constante d'eau se produit tout au long de l'année, mais il est nécessaire de stocker de l'eau pour les périodes de faible ensoleillement (faible ensoleillement). Généralement en Afrique sahélienne, le stockage serait de 3-5 jours de la demande en eau. Dans les environnements où la saison des pluies se produit, l'eau de pluie peut compenser la baisse de la production de la pompe solaire au cours de cette période. La majorité des 6000 ou plusieurs systèmes de pompage solaires installés à ce jour sont l'approvisionnement en eau du village ou l'abreuvement du bétail.
  
 
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[[Image:Solarwaterpumping01.gif]]<br /> Figure 1: Village water supply
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[[Image:Solarwaterpumping01.gif]]<br /> Figure 1: approvisionnement en eau d'un village
  
 
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A solar irrigation system (Figure 2) needs to take account of the fact that demand for irrigation water will vary throughout the year. Peak demand during the irrigation seasons is often more than twice the average demand. This means that solar pumps for irrigation are under-utilised for most of the year. Attention should be paid to the system of water distribution and application to the crops. The system should minimise water losses, without imposing significant additional head on the pumping system and be of low cost.
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Un système d'irrigation solaire (figure 2) doit tenir compte du fait que la demande en eau d'irrigation peut varier tout au long de l'année. La demande de pointe durant les saisons d'irrigation est souvent plus de deux fois la demande moyenne. Cela signifie que les pompes solaires pour l'irrigation sont sous-utilisées la plus grande partie de l'année. Une attention particulière devrait être accordée au système de distribution d'eau et l'application aux cultures. Le système devrait minimiser les pertes d'eau et être de faible coût.
  
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[[Image:Solarwaterpumping02.gif]]<br /> Figure 2: Solar irrigation system
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[[Image:Solarwaterpumping02.gif]]<br /> Figure 2: système d'irrigation solaire
 
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The suitability of major irrigation systems for use with solar pumps is shown in Table 2.
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La qualité des principaux systèmes d'irrigation pour l'utilisation de pompes solaires est présentée dans le tableau 2.
  
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Table 2: Suitability of major irrigation methods for use with solar pumps
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Tableau 2: principales méthodes d'irrigation pour l'utilisation de pompes solaires
  
 
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==The technology==
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==La technologie==
  
 
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Systems are broadly configured into 5 types as described below:
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Les systèmes sont largement configurés dans 5 types décrits ci-dessous:
  
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'''Submerged multistage centrifugal motor pumpset - Figure 3'''
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'''Ensemble d'une pompe à moteur centrifuge submergée à plusieurs étages - Figure 3'''
  
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This type is probably the most common type of solar pump used for village water supply. The advantages of this configuration are that it is easy to install, often with lay-flat flexible pipework and the motor pumpset is submerged away from potential damage.
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Ce type est probablement le type le plus commun de la pompe solaire utilisée pour l'approvisionnement en eau du village.  
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Les avantages de cette configuration est la facilité d'installation, souvent avec tuyauterie souple à plat et l'ensemble de la pompe à moteur est submergée loin des dommages potentiels .
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Les moteurs en courant alternatif ou à courant continu peuvent être incorporés dans l'ensemble de la pompe bien qu'un inverseur serait nécessaire pour les systèmes à courant alternatif. Si un moteur à courant continu brossé est utilisé, l'équipement devra être tiré vers le haut du puits (environ tous les 2 ans) pour replacer les brosses. Une commutation électronique est nécessaire pour les moteurs à courant continu sans brosses. Le système le plus couramment utilisé est constitué par une pompe à courant alternatif et par un inverseur avec une matrice photovoltaïque inférieure à 1500Wp.
  
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Either ac or dc motors can be incorporated into the pumpset although an inverter would be needed for ac systems. If a brushed dc motor is used then the equipment will need to be pulled up from the well (approximately every 2 years) to replace brushes. Brushless dc motors would require electronic commutation. The most commonly employed system consists of an ac pump and inverter with a photovoltaic array of less than 1500Wp.
 
  
 
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[[Image:Solarwaterpumping03.gif]]<br /> Figure 3: Submerged multistage centrifugal motor pumpset
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[[Image:Solarwaterpumping03.gif]]<br /> Figure 3: ensemble d'une pompe à moteur centrifuge submergée à plusieurs étages
  
 
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'''Submerged pump with surface mounted motor - Figure 4'''
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'''Pompe submergée avec moteur monté en surface - Figure 4'''
  
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This configuration was widely installed with turbine pumps in the Sahelian West Africa during the 1970s. It gives easy access to the motor for brush changing and other maintenance.
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La faible efficacité de pertes de puissance dans les roulements de l'arbre et le coût élevé de la faible efficacité de pertes de puissance et le coût élevé de l'installation a des désavantages. En général, cette configuration est en grande partie remplacée par le moteur submersible et l'ensemble de la pompe.
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The low efficiency from power losses in the shaft bearings and the high cost of installation has been disadvantages. In general this configuration is largely being replaced by the submersible motor and pumpset.
 
  
 
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[[Image:Solarwaterpumping04.gif]]<br /> Figure 4: Submerged pump with surface mounted motor
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[[Image:Solarwaterpumping04.gif]]<br /> Figure 4: pompe submergée avec moteur monté en surface
  
 
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'''Reciprocating positive displacement pump - Figure 5'''
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'''Pompe à piston alternatif positif - Figure 5'''
  
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The reciprocating positive displacement pump (often known as the jack or nodding donkey) is very suitable for high head, low flow applications.
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La pompe volumétrique alternative est très appropriée pour une grande tête et pour  les applications de faible débit.
  
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The output is proportional to the speed of the pump. At high heads the frictional forces are low compared to the hydrostatic forces often making positive displacement pumps more efficient than centrifugal pumps for this situation.
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Le signal de sortie est proportionnel à la vitesse de la pompe. La puissance de frottement est faible  par rapport aux forces hydrostatiques faisant souvent des pompes volumétriques plus efficace que les pompes centrifuges.
  
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Reciprocating positive displacement pumps create a cyclic load on the motor which, for efficient operation, needs to be balanced. Hence, the above ground components of the solar pump are often heavy and robust, and power controllers for impedance matching often used.
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Les pompes volumétriques créent une charge cyclique sur le moteur qui, pour un fonctionnement efficace, doit être équilibrée. Par conséquent, les composants de base ci-dessus de la pompe solaire sont souvent lourds et robustes, et des régulateurs de puissance pour l'adaptation d'impédance souvent utilisés.
  
 
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[[Image:Solarwaterpumping05.gif]]<br /> Figure 5: Reciprocating positive displacement pump
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[[Image:Solarwaterpumping05.gif]]<br /> Figure 5: pompe à piston à déplacement positif
  
 
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'''Floating motor pump sets - Figure 6'''
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'''Ensembles de pompes à moteur flottantes - Figure 6'''
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La polyvalence de l'ensemble de l'unité flottante, la rend idéale pour l'irrigation de pompage pour les canaux et les puits ouverts. L'ensemble de la pompe à moteur est facilement transportable et il y a une chance négligeable que la pompe marche à sec.
  
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The versatility of the floating unit set, makes it ideal for irrigation pumping for canals and open wells. The pumpset is easily portable and there is a negligible chance of the pump running dry.
 
  
 
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[[Image:Solarwaterpumping06.gif]]<br /> Figure 6: Floating motor pump
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[[Image:Solarwaterpumping06.gif]]<br /> Figure 6 : pompe à moteur flottante
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Most of these types use a single stage submersed centrifugal pump. The most common type utilises a brushless (electronically commutated) dc motor. Often the solar array support incorporates a handle or 'wheel barrow' type trolley to enable transportation.
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La plupart de ces types utilisent une seule étape submergée de la pompe centrifuge. Le type le plus commun utilise un moteur à courant continu sans brosse (commutation électronique). Souvent, le support de panneau solaire intègre un manche pour permettre le transport.
  
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'''Surface suction pumpsets - Figure 7'''
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'''Ensemble de pompe à surface d'aspiration - Figure 7'''
  
 
This type of pumpset is not recommended except where an operator will always be in attendance. Although the use of primary chambers and non-return valves can prevent loss of prime, in practice self-start and priming problems are experienced. It is impractical to have suction heads of more than 8 metres.
 
This type of pumpset is not recommended except where an operator will always be in attendance. Although the use of primary chambers and non-return valves can prevent loss of prime, in practice self-start and priming problems are experienced. It is impractical to have suction heads of more than 8 metres.

Version du 22 mai 2014 à 12:57

Pompe à eau solaire (photovoltaïque) - Résumé technique

Description brève

  • Problème: pompage de l'eau pour les communautés et les fermes isolées
  • Idée: pompage de l'eau par l'énergie solaire
  • Difficulté: très difficile, dimensionnement de l'installation
  • Prix: élevé
  • Matérial nécessaire: pompe à eau, panneaux solaires
  • Zone géographique:
  • Compétences:
  • Combien de personnes?
  • Combien de temps cela prend-il?

Introduction

Le pompage de l'eau a une longue histoire; tant de méthodes ont été développées pour pomper de l'eau avec un minimum d'effort. Une variété de sources d'énergie a été utilisée, à savoir l'énergie humaine, la traction animale, l'énergie hydraulique, éolienne, solaire et les combustibles fossiles pour les petits producteurs. Les mérites relatifs à ceux-ci sont énoncés dans le tableau 1 ci-dessous.

Tableau 1: comparaison des techniques de pompage

Avantages

Désavantages

Pompe manuelle

• fabrication locale est possible
• entretien facile
• capital à faible coût
• pas de frais de carburant

• perte de productivité humaine
• souvent une utilisation inefficace des forages
• seuls des débits faibles sont réalisables

Pompes à traction animale

• plus puissant que les humains
• des salaires inférieurs à la force humaine
• fumier peut être utilisé comme combustible de cuisine

• les animaux doivent être nourris toute l'année
• osouvent détournés vers d'autres activités à des périodes d'irrigation cruciales

Pompes hydrauliques (vérin)

• fonctionnement sans surveillance
• entretien facile
• faible coût
• longue durée de vie
• haute fiabilité

• exige des conditions particulières du site
• faible rendement

pompes à énergie éolienne

• fonctionnement sans surveillance
• entretien facile
• longue durée de vie
• adapté à la fabrication locale
• pas de besoins en carburant

• le stockage de l'eau est nécessaire pour des périodes de vent faible
• onception et de planification de projet des besoins élevés du système
• pas facile à installer

PV solaire

• fonctionnement sans surveillance
• peu d'entretien
• Installation facile
• longue durée de vie

• coûts d'investissement élevés
• le stockage de l'eau est nécessaire pour passages nuageux
• réparations nécessitent souvent des techniciens qualifiés

Pompes à diesel et à essence

• rapide et facile à installer
• faibles coûts d'investissement
• largement utilisé
• peut être portable

• l'approvisionnement en carburant erratique et coûteux
• coûts de maintenance élevés
• une courte espérance de vie
• La pollution par le bruit et la fumée

Applications

Les pompes solaires sont utilisées principalement pour trois applications:

• l'approvisionnement en eau du village
• l'abreuvement du bétail
• irrigation


Une pompe solaire pour l'approvisionnement en eau du village est schématisée à la figure 1 . Avec l'approvisionnement en eau du village, une demande constante d'eau se produit tout au long de l'année, mais il est nécessaire de stocker de l'eau pour les périodes de faible ensoleillement (faible ensoleillement). Généralement en Afrique sahélienne, le stockage serait de 3-5 jours de la demande en eau. Dans les environnements où la saison des pluies se produit, l'eau de pluie peut compenser la baisse de la production de la pompe solaire au cours de cette période. La majorité des 6000 ou plusieurs systèmes de pompage solaires installés à ce jour sont l'approvisionnement en eau du village ou l'abreuvement du bétail.

Solarwaterpumping01.gif
Figure 1: approvisionnement en eau d'un village

Un système d'irrigation solaire (figure 2) doit tenir compte du fait que la demande en eau d'irrigation peut varier tout au long de l'année. La demande de pointe durant les saisons d'irrigation est souvent plus de deux fois la demande moyenne. Cela signifie que les pompes solaires pour l'irrigation sont sous-utilisées la plus grande partie de l'année. Une attention particulière devrait être accordée au système de distribution d'eau et l'application aux cultures. Le système devrait minimiser les pertes d'eau et être de faible coût.


Solarwaterpumping02.gif
Figure 2: système d'irrigation solaire

La qualité des principaux systèmes d'irrigation pour l'utilisation de pompes solaires est présentée dans le tableau 2.

Tableau 2: principales méthodes d'irrigation pour l'utilisation de pompes solaires

Méthode de distribution

Efficacité de l'application typique
tête typique
Aptitude à l'emploi de pompes solaires

Canaux ouverts

50-60%
0.5-1m
oui

Diffuseur

70%
10-20m
non

Egouttement

85%
1-2m
oui

Flux

40-50%
0.5m
non

La technologie

Les systèmes sont largement configurés dans 5 types décrits ci-dessous:

Ensemble d'une pompe à moteur centrifuge submergée à plusieurs étages - Figure 3

Ce type est probablement le type le plus commun de la pompe solaire utilisée pour l'approvisionnement en eau du village. Les avantages de cette configuration est la facilité d'installation, souvent avec tuyauterie souple à plat et l'ensemble de la pompe à moteur est submergée loin des dommages potentiels .

Les moteurs en courant alternatif ou à courant continu peuvent être incorporés dans l'ensemble de la pompe bien qu'un inverseur serait nécessaire pour les systèmes à courant alternatif. Si un moteur à courant continu brossé est utilisé, l'équipement devra être tiré vers le haut du puits (environ tous les 2 ans) pour replacer les brosses. Une commutation électronique est nécessaire pour les moteurs à courant continu sans brosses. Le système le plus couramment utilisé est constitué par une pompe à courant alternatif et par un inverseur avec une matrice photovoltaïque inférieure à 1500Wp.


Solarwaterpumping03.gif
Figure 3: ensemble d'une pompe à moteur centrifuge submergée à plusieurs étages

Pompe submergée avec moteur monté en surface - Figure 4

La faible efficacité de pertes de puissance dans les roulements de l'arbre et le coût élevé de la faible efficacité de pertes de puissance et le coût élevé de l'installation a des désavantages. En général, cette configuration est en grande partie remplacée par le moteur submersible et l'ensemble de la pompe.

Solarwaterpumping04.gif
Figure 4: pompe submergée avec moteur monté en surface

Pompe à piston alternatif positif - Figure 5

La pompe volumétrique alternative est très appropriée pour une grande tête et pour les applications de faible débit.

Le signal de sortie est proportionnel à la vitesse de la pompe. La puissance de frottement est faible par rapport aux forces hydrostatiques faisant souvent des pompes volumétriques plus efficace que les pompes centrifuges.

Les pompes volumétriques créent une charge cyclique sur le moteur qui, pour un fonctionnement efficace, doit être équilibrée. Par conséquent, les composants de base ci-dessus de la pompe solaire sont souvent lourds et robustes, et des régulateurs de puissance pour l'adaptation d'impédance souvent utilisés.

Solarwaterpumping05.gif
Figure 5: pompe à piston à déplacement positif

Ensembles de pompes à moteur flottantes - Figure 6

La polyvalence de l'ensemble de l'unité flottante, la rend idéale pour l'irrigation de pompage pour les canaux et les puits ouverts. L'ensemble de la pompe à moteur est facilement transportable et il y a une chance négligeable que la pompe marche à sec.


Solarwaterpumping06.gif
Figure 6 : pompe à moteur flottante

La plupart de ces types utilisent une seule étape submergée de la pompe centrifuge. Le type le plus commun utilise un moteur à courant continu sans brosse (commutation électronique). Souvent, le support de panneau solaire intègre un manche pour permettre le transport.

Ensemble de pompe à surface d'aspiration - Figure 7

This type of pumpset is not recommended except where an operator will always be in attendance. Although the use of primary chambers and non-return valves can prevent loss of prime, in practice self-start and priming problems are experienced. It is impractical to have suction heads of more than 8 metres.

Solarwaterpumping07.gif
Figure 7: Suction pumpsets

Performance

The performances of some commercially available products are shown in Figure 8. Solar pumps are available to pump from anywhere in the range of up to 200m head and with outputs of up to 250m³/day.

[p06.gif Solarwaterpumping08.gif]
Figure 8: Pump performance

Solar pumping technology continues to improve. In the early 1980s the typical solar energy to hydraulic (pumped water) energy efficiency was around 2% with the photovoltaic array being 6-8% efficient and the motor pumpset typically 25% efficient. Today, an efficient solar pump has an average daily solar energy to hydraulic efficiency of more than 4%. Photovoltaic modules of the monocrystalline type now have efficiencies in excess of 12% and more efficient motor and pumpsets are available. A good sub-system (that is the motor, pump and any power conditioning) should have an average daily energy throughput efficiency of 30-40%.

Costs

A photovoltaic pumping system to pump 25m³/day through 20m head requires a solar array of approximately 800Wp in the Sahelian regions. Such a pump would cost approximately $6,000 FOB. Other example costs are shown in Table 3.

A range of prices is to be expected, since the total system comprises the cost of modules, pump, motor, pipework, wiring, control system, array support structure and packaging. Systems with larger array sizes generally have a lower cost/Wp. The cost of the motor pumpset varies according to application and duties; a low lift suction pump may cost less than $800 whereas a submersible borehole pumpset costs $1500 or more.

Table 3: Photovoltaic pumping system specifications

Motor pump/
Configuration

Output (m³.day) @ 5kWhm/cu.m/ day insolation

Head (m)

Solar Array (Wp)

System Price
US$ FOB

Submerged borehole motor pump

40
25

20
20

1200
800

7000-8000
6000-7000

Surface motor/
submerged pump

60

7

840

5000-6000

Reciprocating positive displacement pump

6

100

1200

7500-9000

Floating motor/pumpset

100
10

33

530
85

4000
2000

Surface suction pump

40

4

350

3000

Procurement

Assessing requirements

The output of a solar pumping system is very dependent on good system design derived from accurate site and demand data. It is therefore essential that accurate assumptions are made regarding water demand/pattern of use and water availability including well yield and expected drawdown.

Domestic water use per capita tends to vary greatly depending on availability. The long-term aim is to provide people with water in sufficient quantities to meet all requirements for drinking, washing and sanitation. Present short-term goals aim for a per capita provision of 40 litres per day, thus a village of 500 people has a requirement of 20 cubic metres per day. Most villages have a need for combined domestic and livestock watering.

Irrigation requirements depend upon crop water requirements, effective groundwater contributions and efficiency of the distribution and field application system.

Irrigation requirements can be determined by consultation with local experts and agronomists or by reference to FAO document 'Cropwater requirements' (J Dorrenbos, WO Pruitt - FAO, Rome, Italy - 1977).

Assessing water availability

Several water source parameters need to be taken into account and where possible measured. These are the depth of the water source below ground level, the height of the storage tank or water outlet point above ground level and seasonal variations in water level. The drawdown or drop in water level after pumping has commenced also needs to be considered for well and borehole supplies. This will depend on the ratio between pumping rate and the rate of refill of the water source.

The pattern of water use should also be considered in relation to system design and storage requirements. Water supply systems should include sufficient covered water storage to provide for daily water requirements and short periods of cloudy weather. Generally, two to five days water demand is stored.

Sizing solar pumps

The hydraulic energy required (kWh/day)

= volume required (m³/day) x head (m) x water density x gravity/(3.6 x 106)
= 0.002725 x volume (m³/day) x head (m)


The solar array power required (kWp) =

Solarwaterpumping09.gif


where F = array mismatch factor = 0.85 on average
and E = daily subsystem efficiency = 0.25 - 0.40 typically

Economics

In general photovoltaic pumps are economic compared to diesel pumps up to approximately 3kWp for village water supply and to around 1kWp for irrigation.

References

Roy Barlow, Bernard McNelis and Anthony Derrick: Solar Pumping. An introduction and update on the technology, performance, costs and economics. IT Publications, 1993

Peter Fraenkel: Water Pumping Devices. A handbook for users and choosers. ITDG Publishing, 1997.

Jeff Kenna and Bill Gillett: Solar Water Pumping. A handbook. IT Publications, 1985.

U.R.S. Rentch: Solar Photovoltaics for Irrigation Water Pumping. SKAT, St. Gallen, 1982.

Groundwater: Waterlines, Vol.20, No.2, October 2001, ITDG Publishing

Useful addresses

Practical Action The Schumacher Centre for Technology & Development, Bourton on Dunsmore, RUGBY, CV23 9QZ, United Kingdom.
Tel.: +44 (0) 1926 634400, Fax: +44 (0) 1926 634401 e-mail:practicalaction@practicalaction.org.uk web:www.practicalaction.org

Pa-logo-200x103.gif

The International Solar Energy Society (ISES)
International Headquarters
Villa Tannheim, Wiesentalstr. 50,
79115 Freiburg, Germany.
Tel: +49 - 761 - 45906-0
Fax: +49 - 761 - 45906-99
Web: http://www.ises.org/

International Centre for Application of Solar Energy (CASE)
Level 8, 220 St Georges Terrace,
Perth WA 6000, Australia.
Tel: +61 (08) 9321 7600
Fax: +61 (08) 9321 7497
Web: http://www.case.gov.au

HTN/SKAT
Vadianstrasse 42, CH-9000 St. Gallen, Switzerland.
Tel: +41 71 228 54 54
Fax: +41 71 228 54 55
Web: http://www.skat.ch/htn

Lifewater International
2840 Main Street, Morro Bay, CA 93442
Mailing address: PO Box 3131, San Luis
Obispo, CA 93403, USA
Tel: +1 805 772 0600, +1 888 543 3426
Fax: +1 805 772 0606
Web: http://www.lifewater.org/

Suppliers of photovoltaic pumps

Note: This is a selective list of suppliers and does not imply endorsement by Practical Action.

AEG,
Industriestrasse 29, D-2000 Wedel, Holstein, Germany.
Tel: +49 41 03 7021
Fax: +49 41 03 84 474

A.Y. MacDonald Manufacturing Company,
4800 Chavenelle Road, Dubuque, IA 5200, USA.
Tel: +1 319 583 7311
Fax: +1 319 588 0720
Web: http://www.aymcdonald.com

BP Solar,
P.O. Box 191, Chertsey Road,
Sunbury-on-Thames TW16 7XA, U.K.
Tel: +44 1932 779543
Fax: +44 1932 762686
Web: http://www.bpsolar.com

Grundfos International A/S,
Poul Due Jensens Vej 7,Bjerroingbo, DK-8850 Denmark
Tel: +45 86 68 1400
Fax: +45 86 68 0468
Web: http://www.grundfos.com

Italsolar,
Via A D'Andrea, 6 Nettuno 00048, Italy
Tel: +39 6 985 0246
Fax: +39 6 985 0269

Mono Pumps Ltd.,P.O. Box 14, Martin Street, Audenshaw,
Manchester M34 5DQ, U.K.
Tel: +44 (0)161 339 9000
Fax: +44 (0)161 344 0727
Web: http://www.mono-pumps.com

Siemens Solar GmbH,
Frankfurter Ring 152, 80807 Munich, Germany
Tel: +49 89 636 59158
Fax: +49 89 636 59173
Web: http://www.solarpv.com

Total Energie,
7 Chemin du Plateau, 69570 Dardilly, France
Tel: +33 4 7252 1320
Fax: +33 4 7864 9100
Web: http://www.total-energie.com

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