Comment fabriquer une pompe solaire

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Ce type de pompe n'est pas recommandé sauf si l'opérateur est toujours présent. Bien que l'utilisation de chambres primaires et de clapets anti-retour peut prévenir toute perte, dans la pratique, des problèmes d'auto-démarrage et d'amorçage ont été expérimentés. Il est impossible d'avoir des têtes de plus de 8 mètres d'aspiration.

Figure 7 : ensemble d'une pompe d'aspiration

Performance

Les performances de certains produits disponibles dans le commerce sont présentés à la figure 8. Des pompes solaires sont disponibles pour pomper n'importe où dans la plage allant jusqu'à 200m et avec des puissances allant jusqu'à 250m³/jour.

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Figure 8: performance de la pompe

a technologie de pompage solaire continue de s'améliorer. Au début des années 1980, l'énergie solaire typique hydraulique (eau pompée) avait une efficacité énergétique d'environ 2 % avec l'ensemble photovoltaïque de 6-8% efficace et une pompe à moteur avait généralement 25 % d'efficacité.

Aujourd'hui , une pompe solaire efficace a une énergie solaire quotidienne moyenne de l'efficacité hydraulique de plus de 4%. Les modules photovoltaïques de type monocristallin ont maintenant une efficacité de plus de 12 % et les moteurs et les pompes plus efficaces sont disponibles. Un bon système (moteur, pompe et tout conditionnement de puissance ) doit avoir un rendement de débit énergétique journalier de 30 à 40 % en moyenne.

Frais

Un système de pompage photovoltaïque pour pomper 25m³/jour par tête de 20 m nécessite un panneau solaire d'environ 800Wp dans les régions sahéliennes. Une telle pompe coûterait environ $6000 FOB. D'autres exemples de coûts sont présentés au tableau 3.

Une gamme de prix doit être prévue, étant donné que l'ensemble du système comprend le coût des modules, de la pompe , du moteur, de la tuyauterie, du câblage, du système de contrôle, de la structure de support de la matrice et de l'emballage. Les systèmes de plus grandes tailles ont généralement un faible coût/Wp. Le coût de l'ensemble d'une pompe à moteur varie en fonction de l'application et de ses fonctions; une pompe d'aspiration à basse pression peut coûter moins de $800 alors que l'ensemble d'une pompe submersible de forage coûte $1500 ou plus.

Tableau 3: spécifications du système de pompage photovoltaïque

Pompe à moteur/ Configuration	rendement (m³.jour) @ 5kWhm/cu.m/ jour insolation	Tête(m)	Tableau solaire (Wp)	Prix du système US$ FOB
Pompe immergée de forage moteur	40 25	20 20	1200 800	7000-8000 6000-7000
Surface moteur / pompe immergée	60	7	840	5000-6000
Pompe à piston à déplacement positif	6	100	1200	7500-9000
Moteur flottant/ensemble de pompe	100 10	33	530 85	4000 2000
Pompe d'aspiration de surface	40	4	350	3000

Acquisition

Evaluation des conditions requises

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) =

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

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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