Pompe

Définition de la pompe

Le dispositif de pompe est considéré comme une boîte noire, avec des entrées Courant et Tension du côté électrique, et des valeurs de Hauteur manométrique et de Débit du côté hydraulique. Les caractéristiques techniques de l'ensemble moteur-pompe ne sont pas nécessaires en détail.

Dans PVsystBasic, de nombreuses pompes sont associées à un convertisseur de puissance, qui doit être inclus dans la définition du dispositif de pompe. Dans ces cas, les variables électriques d'entrée sont celles du convertisseur.

Technologies de pompes

Il existe deux grandes classes de technologies de pompes :

Pompes centrifuges

L'eau est mise en mouvement par une roue à aubes tournant à grande vitesse. La pompe doit atteindre une vitesse de rotation suffisante pour fournir la hauteur manométrique requise par le système externe. Le rendement est principalement lié au débit. Il présente une courbe croissante (avec un rendement nul à débit nul) jusqu'à un maximum, qui ne dépend généralement pas beaucoup de la hauteur manométrique. Au-delà de ce maximum, la baisse de rendement est plus marquée pour les hauteurs plus faibles.

Le débit présente un comportement quadratique en fonction de la puissance, avec un seuil de puissance dépendant de la hauteur manométrique; ce seuil correspond à la vitesse minimale nécessaire pour atteindre la hauteur du système externe.

Les pompes centrifuges sont adaptées aux systèmes avec des hauteurs relativement faibles et des débits élevés.

Pour étendre la plage de hauteurs, de nombreuses pompes utilisent une technique multi-étagée, consistant à mettre en série plusieurs roues à aubes sur le même axe moteur, chacune assurant une partie de la hauteur totale requise.

Pompes volumétriques

Dans une pompe volumétrique, l'eau est enfermée dans un volume mobile étanche, soit à l'aide de clapets, soit grâce à des pièces mobiles de géométrie spécifique. Ainsi, dès que la pompe tourne, une certaine quantité d'eau est déplacée, et le débit est directement proportionnel à la vitesse de rotation de la pompe. Le seuil de puissance est dû aux pertes électriques dans le moteur avant d'atteindre une force suffisante pour vaincre le couple résistant.

Dans de nombreuses pompes, le couple de démarrage est supérieur au couple en régime établi (les pertes par frottement étant plus élevées à l'arrêt), ce qui nécessite un surcourant au démarrage.

Il existe plusieurs technologies :

• Pompes à piston, où un piston alternatif dans un cylindre aspire l'eau depuis l'entrée ou la refoule vers la sortie à l'aide de clapets anti-retour.
• Pompes à membrane, qui fonctionnent de manière similaire, mais où l'étanchéité du piston est remplacée par une membrane mobile.
• Pompes à cavité progressive, utilisant un rotor en forme de vis spéciale dans un cylindre, qui emprisonne un volume d'eau dans la chambre d'entrée et le pousse le long du tube jusqu'à la sortie.
• Pompes rotatives volumétriques, constituées d'un rotor ressemblant à une roue à palettes tournant dans un cylindre muni d'orifices d'entrée et de sortie.

Les pompes volumétriques sont bien adaptées aux systèmes à grande hauteur manométrique. Leur rendement est généralement assez constant pour différents débits.

Pompes de surface et pompes de forage

Les pompes de surface « classiques » sont constituées d'un ensemble moteur-pompe, qui n'est pas nécessairement intégré dans un seul carter, ce qui permet de coupler différents types de moteurs avec différents dispositifs de pompage. La pompe doit être installée à une distance limitée de la source d'eau (et à une hauteur maximale d'environ \(5 \mathrm{m}\) d'eau afin d'éviter les problèmes de cavitation). L'accessibilité pour la maintenance ne pose pas de problème. En revanche, le fait d'être placée au-dessus du niveau de l'eau impose souvent une procédure d'amorçage, ainsi que certaines précautions pour éviter les entrées d'air.

Pour les forages, des pompes immergées doivent être installées au fond du puits. Celles-ci doivent bien entendu avoir une forme cylindrique adaptée au diamètre du forage, et la partie électrique doit être parfaitement étanche pendant toute la durée de vie de l'équipement. Les contraintes techniques sont plus sévères et la qualité doit être beaucoup plus élevée, car la maintenance est difficile. Par conséquent, le prix de ces pompes est généralement bien plus élevé que celui des pompes de surface.

De plus, il est techniquement très difficile d'installer plusieurs pompes dans un même forage.

Néanmoins, il existe aujourd'hui sur le marché des pompes solaires immergées très sophistiquées, dont certaines intègrent même le convertisseur de puissance et acceptent une très large plage de tensions d'entrée. Celles-ci facilitent considérablement la conception des systèmes.

Données de la pompe

Générale

Identifiants du dispositif de pompe

• Modèle et Fabricant sont des identifiants qui apparaîtront dans les listes de choix des pompes.
• Source des données fait généralement référence à la source principale des paramètres (le plus souvent le fabricant, mais cela peut être un institut indépendant ou vos propres mesures).
• Nom du fichier : il doit avoir l'extension « .PMP ». Vous pouvez créer un nouveau dispositif de pompe en modifiant le nom du fichier.

Côté électrique

Définitions relatives à l'entrée du dispositif de pompe, considéré comme une boîte noire :

• Définir le type de moteur, en particulier s'il fonctionne en courant alternatif (AC) ou continu (DC).
• Définir le type de convertisseur de puissance, le cas échéant.
• Définir la tension nominale (à la hauteur nominale) et les puissances nominales (ou maximales) pour les trois valeurs de hauteur spécifiées dans le panneau hydraulique.
• Ces puissances nominales ou maximales ne sont pas toujours clairement définies. Elles seront utilisées dans la simulation comme valeurs nominales (les limites absolues maximales doivent être définies dans les paramètres « détaillés »). Certaines fiches techniques indiquent des valeurs nominales, et des valeurs maximales uniquement pour des conditions exceptionnelles.

Côté hydraulique

Vous devez définir :

• La technologie de la pompe, en particulier si elle est centrifuge ou volumétrique
• La configuration de la pompe
• La hauteur minimale : généralement la hauteur minimale pour laquelle le fabricant fournit des données.

• La hauteur maximale : généralement la hauteur maximale pour laquelle le fabricant fournit des données. Elle ne constitue pas une limite absolue : si les conditions de fonctionnement du système exigent des hauteurs plus élevées, les résultats du modèle s'étendront jusqu'à la valeur requise.
• La hauteur nominale : cette valeur n'est pas précisément définie. Elle doit correspondre à la hauteur la plus adaptée à l'utilisation de cette pompe. Pour les pompes centrifuges, elle peut être choisie comme la hauteur correspondant au rendement maximal. Sinon, elle peut être une valeur intermédiaire (plutôt vers les valeurs élevées) entre les hauteurs minimale et maximale.

Lorsque le modèle sera entièrement défini, la boîte de dialogue affichera les débits et rendements correspondant à ces hauteurs, ainsi que leur puissance nominale correspondante, telle que définie dans le panneau électrique à gauche.

Courbes de performance

Vous pouvez d'abord choisir les unités de hauteur manométrique et de débit, en fonction de vos données d'origine.

Ensuite, pour chaque courbe, vous devez choisir le paramètre (Tension ou Hauteur).

Pour construire une courbe, il est conseillé de placer les points de données à leur position approximative à l'aide de clics droits de la souris, puis de spécifier leurs valeurs exactes dans les champs d'édition.

Étant donné que les courbes sont plutôt linéaires (et en raison des interpolations cubiques), multiplier les points de données n'apporte pas plus de précision. En général, 4 ou 5 points par courbe et 3 ou 4 courbes sont largement suffisants.

Dans certains cas, les seuils de puissance (pour la production de débit) sont naturellement définis par extrapolation de la courbe de données (par exemple dans les courbes \(\mathsf{Débit} = f(\mathsf{Puissance})\)). Dans d'autres cas, ils sont plutôt définis par le seuil de tension et les caractéristiques \(I = f(U)\). La détermination des seuils et le comportement du modèle à leur voisinage constituent l'un des aspects les plus délicats du modèle de pompe.

Paramètres détaillés

Il s'agit d'un ensemble de paramètres complémentaires.

Côté électrique

• Type de moteur : rappel du choix effectué dans la feuille précédente.
• MPPT ou convertisseur DC : demande le nom du modèle (à titre informatif uniquement, cela ne fait pas référence à un dispositif de la base de données).
• Tension nominale : rappel de la feuille précédente. Avec un convertisseur DC : tension d'entrée. Dans les autres cas : tension de fonctionnement la plus pertinente, souvent mentionnée dans les fiches techniques, même lorsque la caractéristique tension n'est pas fournie.

D'autres variables dépendent de la configuration :

• Tension MPPT min/max : plage de tension du convertisseur MPPT.
• Tension maximale absolue, courant maximal absolu, puissance maximale absolue : limites absolues maximales à l'entrée du dispositif (pompe ou convertisseur), qui ne doivent jamais être dépassées au cours de la simulation. Les protections correspondantes doivent être définies dans l'unité de contrôle.
• Rendements maximal et européen, à partir desquels un profil de rendement sera construit.

Côté hydraulique

Choix du jeu de données disponible dans les fiches techniques.

Ce choix déterminera le type de modèle utilisé par PVsystBasic pour simuler le comportement de la pompe et rendra disponibles les feuilles correspondantes pour la saisie des données.

Technologie du moteur de pompe

La technologie du moteur n'est pas déterminante dans PVsystBasic. Cette spécification est mentionnée dans certains résultats de sortie. Les moteurs DC sans balais semble présenter les rendements les plus élevés.

La seule information réellement utilisée par le programme est de savoir si le moteur est AC ou DC.

Seuils de courant

Avec les pompes volumétriques, et en l'absence de convertisseur de puissance intégré, le moteur nécessite un surcourant avant de commencer à tourner.

Ce panneau permet de définir ces surcourants pour la hauteur minimale, la hauteur maximale et une hauteur intermédiaire située à mi-distance entre les deux. La fonction finale pour n'importe quelle hauteur dans le modèle résultera d'une interpolation linéaire.

Il faut également définir la tension seuil. Il s'agit de la tension à laquelle la pompe (c'est-à-dire la production de débit) s'arrête. Elle correspond généralement au « coude » de la courbe Courant/Tension mesurée.

Ce coude n'est pas toujours clairement défini (et n'est pas toujours fourni dans les fiches techniques). Le modèle le choisit en dessous du point de fonctionnement spécifié le plus bas. Le comportement \(I = f(U)\) entre le dernier point significatif et l'origine \((U = 0, I = 0)\) est approximé par une courbe quadratique afin d'assurer la complétude du modèle, mais ses valeurs exactes n'ont pas une grande importance au cours du processus de simulation.

Systèmes de pompage

Systèmes de pompage isolés

Les « systèmes de pompage » dans PVsystBasic concernent uniquement les systèmes de pompage isolés, qui fonctionnent en fonction de la disponibilité du soleil, sans stockage électrique. Un tel système se compose d'une pompe, d'un champ photovoltaïque et d'un contrôleur / d'une unité de conditionnement de puissance.

La mise en œuvre de ces systèmes implique une définition détaillée du circuit hydraulique (type de système : forage profond, pompage depuis un lac ou équivalent, système de mise sous pression), ainsi que des besoins de l'utilisateur : la hauteur manométrique (en fonction du débit et éventuellement d'autres paramètres), les besoins en eau et le stockage dans un réservoir. D'autres contraintes peuvent également être prises en compte (rabattement maximal dans un forage profond, réservoir plein, etc.).

Le mode de fonctionnement dépendant de la disponibilité du soleil implique que la pompe fonctionne à une puissance imposée par la puissance maximale du champ PV à un instant donné. Comme la hauteur manométrique est imposée par des conditions externes (différence de niveau, pertes de charge dans le circuit hydraulique, rabattement dans un forage profond, etc.), le débit résultant est directement lié à la puissance instantanément disponible.

Par conséquent, la simulation nécessite un modèle complet du comportement de la pompe, permettant de déterminer le débit résultant pour toute combinaison de puissance et de hauteur manométrique. Le point de fonctionnement, dépendant des variations de la hauteur totale en fonction du débit (pertes de charge dans les conduites, niveau de rabattement), sera évalué par approximations successives.

Le principal avantage des systèmes de pompage isolés est l'absence de batterie et des coûts de maintenance associés (remplacement, etc.). Le stockage est en effet assuré par l'accumulation de l'eau dans le réservoir. En contrepartie, cela nécessite une pompe capable de fonctionner sur une large plage de puissances.

Systèmes de pompage conventionnels

Les systèmes de pompage conventionnels, alimentés par un réseau électrique (ou éventuellement par un grand système autonome tel qu'un mini-réseau villageois), fonctionnent à la tension spécifiée du réseau. La puissance de fonctionnement est fixe et supposée disponible à tout moment. Le système fonctionne en mode « marche/arrêt », selon les besoins de l'utilisateur et le système de commande. Une stratégie intelligente de gestion de l'énergie peut privilégier le pompage pendant les heures de jour, lorsque le soleil est disponible.

Par conséquent, un système de pompage tel que défini dans PVsystBasic ne peut pas être associé à un autre système photovoltaïque, même autonome. Il doit réellement rester indépendant de tout autre système électrique.

Niveau statique

La profondeur statique est définie dans les paramètres des systèmes de forage profond.

Elle représente la profondeur du niveau de la nappe phréatique, qui peut varier au cours de l'année. Il est donc possible de la redéfinir avec des valeurs saisonnières ou mensuelles.

Cependant, la partie dimensionnement ne peut pas prendre en compte ces variations et sera établie en utilisant la valeur moyenne annuelle.

Bien entendu, la simulation détaillée s'appuiera sur les valeurs spécifiées à chaque pas de temps.

Besoins en eau

Les besoins en eau (volume d'eau pompée) peuvent être spécifiés sur une base annuelle (valeur constante), ou sous forme de valeurs mensuelles ou saisonnières.

La définition des besoins en termes de valeurs horaires (répartition journalière) n'a pas de sens, car dans la plupart des cas le système de pompage inclut un stockage couvrant au moins une journée de consommation.

Unités de hauteur manométrique et de pression

Dans les systèmes de pompage solaire, la hauteur manométrique est généralement exprimée en unités de différence de niveau [mètres ou pieds]. La pression à la base résulte du poids de la colonne d'eau.

D'un point de vue physique, le passage aux unités de pression consiste à multiplier la hauteur par la densité de l'eau (\(1000\ \mathrm{kg/m³}\)) et par la constante de gravitation (\(g = 9,81\ \mathrm{m/s²}\)). Pour obtenir des bars, il faut ensuite diviser par \(100\ 000\ [\mathrm{Pa/bar}]\).

En résumé, on obtient les équivalences suivantes :

• \(1\ \mathrm{Pa} = 1\ \mathrm{N/m²}\) (unité de base du système MKSA)
• \(1\ \mathrm{bar} = 100\ \mathrm{kPa}\) (définition du \(\mathrm{bar}\))
• \(1\ \mathrm{bar} = 10,19\ \mathrm{mCE}\) (mètres de colonne d'eau)
• \(1\ \mathrm{bar} = 33,44\ \mathrm{ftCE}\) (pieds de colonne d'eau)
• \(1\ \mathrm{bar} = 2 088\ \mathrm{lb/ft²}\) (livres par pied carré)
• \(1\ \mathrm{bar} = 14,504\ \mathrm{PSI}\) (\(\mathrm{PSI}\) = livre par pouce carré)
• \(1\ \mathrm{bar} = 0,987\ \mathrm{atm}\)
• \(1\ \mathrm{bar} = 750,1\ \mathrm{torr}\) ou \(\mathrm{mmHg}\)
• \(1\ \mathrm{mCE} = 0,0981\ \mathrm{bar}\)
• \(1\ \mathrm{ftCE} = 0,0299\ \mathrm{bar}\)
• \(1\ \mathrm{PSI} = 0,069\ \mathrm{bar}\)

Dimensionnement d'un système de pompage

Lors du dimensionnement d'un système de pompage PV, les contraintes de base sont la disponibilité de l'énergie solaire au cours de l'année et la satisfaction des besoins en eau de l'utilisateur. Le problème à résoudre est l'optimisation de la taille du générateur photovoltaïque et des pompes, en tenant compte de la hauteur manométrique et de l'adéquation électrique PV–pompe, ainsi que de la configuration du système choisie.

Dimensionnement de la pompe

On commence par dimensionner la pompe.

On détermine d'abord les besoins en énergie hydraulique sur une journée, en supposant que le débit et la hauteur manométrique sont à peu près constants sur l'année (sinon, la simulation jour par jour fournie dans l'outil de pré-dimensionnement est incontournable).

Comme règle empirique, on peut supposer que, lors de journées plutôt favorables, la pompe fonctionne à son équivalent « pleine puissance » pendant environ 6 heures ; c'est-à-dire qu'elle fournit un débit \([\mathrm{m³/h}]\) d'environ : production journalière d'eau \([\mathrm{m³}] / 6\ [\mathrm{h}]\).

En supposant ensuite un rendement de pompe (généralement d'environ 50 % pour les pompes volumétriques, ou 35–40 % pour les pompes centrifuges), on peut en déduire la puissance électrique nominale de la pompe adaptée à ces conditions de journée claire.

À ce stade, il convient de souligner que l'architecture du système a une grande influence sur la puissance nominale de la pompe, notamment lorsque les pertes liées aux seuils sont importantes, comme c'est le cas dans les systèmes simples à « couplage direct ».

Dimensionnement du champ PV

Toujours comme règle empirique, on peut choisir la puissance nominale PV (STC) à environ 20 à 30 % au-dessus de la puissance nominale de la pompe. Un surdimensionnement du champ PV entraînera une énergie non utilisée par beau temps. Un sous-dimensionnement fera fonctionner la pompe à des puissances plus faibles, où son rendement peut chuter, ou bien où les seuils peuvent affecter fortement la production en conditions nuageuses, ou le matin et le soir.

Dimensionnement du réservoir

La taille du réservoir est simplement déterminée par l'autonomie requise, à partir de la consommation journalière définie par l'utilisateur, en supposant une absence de production d'eau.

D'autres caractéristiques secondaires du système de pompage doivent être déterminées dans un second temps : sections de câbles entre le champ PV et la pompe, dimensionnement du circuit hydraulique, etc. Celles-ci interviennent dans le processus de simulation détaillée.

De plus, le dimensionnement peut être soumis à des critères dont l'importance relative dépend de l'usage :

• Fiabilité de l'approvisionnement et conséquences des périodes sans fourniture (pouvant être compensées par un générateur de secours),
• Coûts d'investissement et de maintenance, à considérer en tenant compte du coût du générateur PV, de la ou des pompe(s), de la régulation et de la maintenance du système. Pour les systèmes avec tampon batterie : coût initial des batteries, ainsi que leur maintenance et leur remplacement.
• Durabilité : qualité des pompes et des régulateurs, facilité de maintenance et de remplacement, conditions d'usure particulières (sable ou impuretés dans l'eau, etc.).