REPUBLIQUE TOGOLAISE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT Travail-Liberté-Patrie SUPERIEURE ET DE LA RECHERCHE Nº d’ordre:2019/LP-GE(PGDEE)-08/46 UNIVERSI DE LOME (UL) ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’INGENIEURS (ENSI) DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE Spécialité : Production et Gestion Durable de l’Energie Electrique REDIMENSIONNEMENT ET INSTALLATION D’UN SYSTEME DE POMPAGE PHOTOVOLTAIQUE D’EVACUATION DU BASSIN DE TOGO 2000 VERS LE FLEUVE ZIO Mémoire de fin d’études pour l’obtention du Diplôme de Licence Professionnelle conducteur des travaux / génie électrique Présenté par : AKARAWATOU Abdoul-baqui Jury : Président : Dr. KODJO Koffi Mawugno, Maître de Conférences, Ingénieur Automaticien, Chef du Département de Génie Electrique de l’ENSI. Directeur : Dr. ADJAMAGBO Comlavi, Maître Assistant, Génie Electrique, enseignant ENSI – UL. Membre 1 : M.APALOO BARA Komlan Kpomonè, Ingénieur en Génie Electrique, enseignant ENSI – UL. Membre 2 : Mlle NABILIOU Amy, Ingénieur en Génie Electrique, enseignant ENSI – UL. © Décembre 2019 DEDICACES DEDICACES MEMOIRE LP/UL-ENSI i AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI DEDICACES DEDICACES A mon père, ma source de motivation, qui n’a cessé de me soutenir et de m’encourager tout au long de mon cursus ; A ma mère, ma raison de vivre, pour son amour, son attention, son soutien moral, ses prières ; A tous mes frères et sœurs, amis, amies, que j’aime tant et qui me le rendent bien Je dédie ce mémoire. MEMOIRE LP/UL-ENSI ii AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI REMERCIEMENTS REMERCIEMENTS MEMOIRE LP/UL-ENSI iii AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI REMERCIEMENTS REMERCIEMENTS Je commence d’abord remercier le Bon Dieu de m’avoir aidé par sa Grace à accomplir ce travail. Je profite aussi de l'occasion qui m'est offerte pour exprimer mes sincères remerciements à tous ceux qui, de près ou de loin, de part leurs actes où leurs conseils, ont concouru à l'aboutissement de ce travail notamment : au Professeur AJAVON Ayité Senah, Ingénieur Electroénergéticien, Directeur de l’ENSI ; au Professeur BEDJA Koffi-Sa Eugène, Ingénieur des télécommunications, ex-Directeur de l’ENSI, Enseignant à l’ENSI ; au Dr. SALAMI Akim, Maître de Conférences ; Ingénieur Génie Electrique, Enseignant Chercheur à l’ENSI, Directeur-Adjoint de l’ENSI ; au Dr. KODJO Koffi Mawugno, Maître de Conférences, Ingénieur Automaticien, Enseignant Chercheur à l’ENSI, Chef du Département de Génie Electrique de l’ENSI pour sa disponibilité ; MEMOIRE LP/UL-ENSI iv AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI REMERCIEMENTS au Dr. ADJAMAGBO Comlavi, Maître Assistant, Ingénieur Génie Electrique, Enseignant Chercheur à l’ENSI pour sa disponibilité sans faille et dirigé ce travail malgré ses occupations ; à M. AKUE-BITCHI Kpakpo, Ingénieur Informaticien, Enseignant Chercheur à l’ENSI ; à M. APALOO BARA Komla Kpomonè, Ingénieur Génie Electrique, Enseignant Chercheur à l’ENSI ; à Mlle NABILIOU Amy, Ingénieure Génie Electrique, Enseignant à l’ENSI ; à tout le corps Technique et Administratif de l’ENSI. MEMOIRE LP/UL-ENSI v AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI TABLES DES MATIERES TABLES DES MATIERES MEMOIRE LP/UL-ENSI vi AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI TABLES DES MATIERES TABLES DES MATIERES Titres Pages DEDICACES ............................................................................................................................. ii REMERCIEMENTS ................................................................................................................. iii TABLES DES MATIERES ..................................................................................................... vii LISTE DES TABLEAUX ......................................................................................................... xi LISTE DES FIGURES ............................................................................................................. xii INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................ 1 CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES ……... …5 1.1. Introduction : ............................................................................................................... 5 1.2. Rayonnement solaire : ................................................................................................. 5 1.3. Historique de l’énergie photovoltaique: ...................................................................... 6 1.4. Principe de la conversion photovoltaique :.................................................................. 7 1.5. Téchnologies des cellules photovoltaiques : ............................................................... 8 1.6. Etude bibliographique………………………………………………………………..9 1.7. Différentes configurations des systemes pv : ............................................................ 11 1.7.1. Systeme autonome sans batterie : ....................................................................... 11 1.7.2. Systeme fonctionnant au fil du soleil : ............................................................... 12 1.7.3. Systeme avec appoint electrique : ...................................................................... 12 1.8. Constitution d’un systeme de pompage photovoltaique : .......................................... 12 1.9. Generateur photovoltaïque : ...................................................................................... 13 1.10. Conclusion : ........................................................................................................... 15 \CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE………………………………………….……………..17 2.1. Introduction ............................................................................................................... 18 2.2. Presentation de la retenue .......................................................................................... 18 2.2.1. Debit en m3 de la retenue ................................................................................... 19 2.2.2. Choix de la position de la pompe ....................................................................... 20 2.2.3. Choix du niveau des capteurs ............................................................................. 23 2.3. Principales dispositions et définitions des différents appareils élévatoires : ............. 24 2.3.1. Roues de pompe et passage libre........................................................................ 27 2.3.2. Accouplement moteur/pompe ............................................................................ 27 MEMOIRE LP/UL-ENSI vii AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI TABLES DES MATIERES 2.3.3. Moteurs électriques d’entraînement ................................................................... 28 2.4. Equipements .............................................................................................................. 29 2.5. Presentation de la pompe choisi ................................................................................ 30 2.5.1 Principales applications ...................................................................................... 33 2.5.2 Caracteristiques et avantages des moteurs (ie3) ................................................. 34 2.5.3 Maintenance de la pompe ................................................................................... 34 2.6. Dimensions des tuyaux de raccordement .................................................................. 35 2.6.1. Section de passage des pompes .......................................................................... 35 2.6.2. Section de passage des tuyauteries ..................................................................... 35 2.7. Choix de la position des panneaux ............................................................................ 36 2.7.1. Definition terre solaire : ..................................................................................... 36 2.7.2. Inclinaison optimale ........................................................................................... 37 2.8. Le demarage automatique et manuel par un demarreur convenable….…..............….38 2.8.1. Les types de demarreurs ..................................................................................... 38 2.8.2 Demarreur ats48c14q ......................................................................................... 39 2.8.3. L’installation du systeme de demarrage ............................................................. 39 2.8.4. Schema du cablage du demarreur ....................................................................... 42 2.8.5. Protection ........................................................................................................... 43 2.8.6. La maintenance .................................................................................................. 44 2.9. Conclusion ................................................................................................................. 45 CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE….........................46 3.1. Introduction ............................................................................................................... 47 3.2. Methodes de pompages ............................................................................................. 47 3.2.1. Pompage « au fil du soleil » ............................................................................... 47 3.2.2. Pompage avec batteries ...................................................................................... 48 3.3. Notions hydrauliques ................................................................................................. 48 3.4. Le debit q ................................................................................................................... 48 3.5. Determination de l’energie solaire disponible ........................................................... 48 3.6. Choix de la pompe .................................................................................................... 49 3.7. Le convertisseur d’energie......................................................................................... 49 3.8. Calcul des besoins en energie electrique ................................................................... 50 3.9. Dimensionnement du systémephotovoltaique : ......................................................... 51 3.9.1. Dimensionnement du groupe electropompe :..................................................... 51 3.9.2. Dimensionnement des modules photovoltaïques ............................................... 52 MEMOIRE LP/UL-ENSI viii AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI TABLES DES MATIERES 3.9.3. Determination de l’ensoleillement du site .......................................................... 53 3.9.5. Dimensionnement du regulateur ........................................................................ 59 3.9.6. Dimensionnement de la section des cables ........................................................ 63 3.10. 3.10.1 Maintenance d’un systeme solaire photovoltaïque. ............................................... 65 Condition d’utilisation........................................................................................ 65 3.10.2. Prevention des defaillances ................................................................................ 65 3.10.3. Entretien preventif .............................................................................................. 66 3.11. Maintenance des modules solaires ......................................................................... 66 3.11.1. Maintenance des batteries solaires ..................................................................... 66 3.11.2. Maintenance des onduleurs ................................................................................ 67 3.11.3. Maintenance du cablage ..................................................................................... 67 3.12. Analyse et cout du projet ....................................................................................... 68 3.12.1. Cout de l’installation photovoltaïque ................................................................. 68 3.12.1. Equipements et materiels solaires ...................................................................... 68 3.12.2. Etude technique et realisation ............................................................................ 69 3.12.3. Estimation du cout du pompage photovoltaïque. ............................................... 69 3.13. Conclusion ............................................................................................................. 71 CONCLUSION GENERALE .................................................................................................. 73 BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................... 76 ANNEXES ............................................................................................................................... 79 MEMOIRE LP/UL-ENSI ix AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI LISTE DES TABLEAUX ET FIGURES LISTES DES TABLEAUX ET FIGURES MEMOIRE LP/UL-ENSI x AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI LISTE DES TABLEAUX ET FIGURES LISTE DES TABLEAUX Chapitre 1 Tableau 1.1: Rendement énergétique des différents types de cellules photovoltaïques…….…9 Chapitre 2 Tableau 2.1: Tableau selectif des puissance de moteurs……………….……………..…........31 Tableau 2.2 : Tableau illustrant le choix des démarreurs………………….……………….…38 Chapitre 3 Tableau 3.1 : Choix de la section des câbles …. ...……………………………….…………..64 Tableau 3.2 : Tableau de l’étude économique du projet ……………………….…………….70 MEMOIRE LP/UL-ENSI xi AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI LISTE DES TABLEAUX ET FIGURES LISTE DES FIGURES Chapitre 1 Figure1.1: Réponse spectrale d’une cellule (PV), [4] ……………………..…………………6 Figure 1.2: Principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique par cellule photovoltaïque …………….…………………………………………………….....7 Figure 1.3: Schéma synoptique d’une installation photovoltaïque……………….…..………11 Figure1. 4: Schéma général d’un système de pompage photovoltaïque……………...……....13 Chapitre 2 Figure 2.1 : Image de la retenue vue du l'est…………………………………………............19 Figure 2.2 : Pompe submersibles sur pied d'assise avec barre de guidage…………………...21 Figure 2.3: Pompe en tube à roue axiale ou semi-axiale...……………………………......….21 Figure 2.4 : Pompe submersible dénoyée en fosse sèche…………………………...………..22 Figure 2.5: Pompes d’Assainissement Submersibles Type ABS XFP…………..…...………23 Figure 2.6: Capteur hydrodynamique ……………………………………..………………..23 Figure 2.7 : Disposition monobloc vitesse variable…………………..…..………….……….24 Figure 2.8 : Disposition monobloc avec vitesse fixe…………………………………….…...24 Figure 2.9: Pompe multicellulaire horizontale sur châssis, support avec manchon d'accouplement..................................................................................…………….25 Figure 2.10 : Pompe multicellulaire à axe vertical et raccords en ligne………………...……25 Figure 2.11: Pompe immergées verticale de forage ……………………………………….…26 Figure 2.12: Pompe horizontale avec chemise de refroidissement…………………...……...26 Figure 2.13: Pompe verticale à ligne droite……………………..……………………………26 Figure 2.14: Vue en coupe de la pompe type XFP ABS………………….……….…...……..32 Figure 2.15: Image illustrant le raccordement …………………...………..……………...… 35 Figure 2.16: Image indiquant l'orientation d'un panneau solaire ………………...…….…….36 Figure 2.17: Image montrant l'orientation en azimut et l'inclinaison du panneau………..…..37 Figure 2.18: Les differentes du demarreur………………………………………...…….……41 MEMOIRE LP/UL-ENSI xii AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI LISTE DES TABLEAUX ET FIGURES Figure 2.19 : Le cadran du voltmètre…………………………………………………………41 Figure 2.20: Le cadran de l'ampèremètre……………………………………………….….…41 Figure 2.21 : Le cadran du fréquencemètre………………………………………...………...42 Figure 2.22: Cadran de la puissance réactive.…………………………………….……..........42 Figure 2.23: Le circuit de puissance du démarreur………………………………..….…....…43 Figure 2.24: Le circuit de commande du démarreur.……………………………...……..…...43 Chapitre 3 Figure 3.1 : Image de module photovoltaïque………………………......................................54 Figure 3.2: Image des batteries………………………………………………………...…......57 Figure 3.3: Batteries solaire ………………………………………………...…...…...……....58 Figure 3.4: Différents types de régulateur de courant…………………………...………...….61 MEMOIRE LP/UL-ENSI xiii AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI LISTE DES TABLEAUX ET FIGURES MEMOIRE LP/UL-ENSI AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI INTRODUCTION GENERALE INTRODUCTION GENERALE MEMOIRE LP/UL-ENSI 1 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI INTRODUCTION GENERALE INTRODUCTION GENERALE La production d’électricité est un défi de grande importance pour les années à venir. En effet les besoins énergétiques des pays pauvres ne cessent d’augmenter ; par ailleurs les pays en voie de développement auront besoin de plus en plus d’énergie pour mener à bien leur développement. De nos jours ; une grande partie de la production mondiale d’énergie est assurée à partir des énergies fossiles et d’autres sources limitées ; la consommation de ces sources d’énergie donne lieu à des émissions de gaz à effet de serre et donc une augmentation de la pollution et un réchauffement climatique. Face à ces situations l’objet des scientifiques et des gouvernements des pays est de faire recours à de nouvelles sources d’énergies qui sont dites renouvelables et non polluante comme le soleil (photovoltaïque ou thermique), l’éolien, la marémotrice. Depuis la découverte du système d’énergie photovoltaïque ; l’utilisation de l’énergie solaire est devenue une application très rentable ; dans les pays développés le système photovoltaïque est une technologie naissante qui a pris une grande ampleur dans la production d’électricité. Dans les pays en voie de développement qui sont pour la plupart équatoriaux ou tropicaux, donc très ensoleillés, et qui ont beaucoup de localités où le réseau électrique est absent, l’énergie photovoltaïque devrait être par conséquent sans concurrence. Cette réalité est encore plus accentuée dans le cas d’applications au pompage d’eau dans ces pays tels que le Togo. MEMOIRE LP/UL-ENSI 2 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI INTRODUCTION GENERALE Le développement dans le cas de l’assainissement des eaux de pluie est un véritable problème auquel le pays est confronté. Ainsi le gouvernement togolais crée des retentions d’eau dans les zones où cela est nécessaire. D’après nos recherches nous avons remarqué que le bassin d’eau du quartier Togo 2000 est un tout petit peu incliné par rapport au niveau horizontal de la terre et aussi quelques maisons se trouvent aux alentours plus bas du bassin, Une pompe a été installée dans le bassin mais cette dernière n'a pas été placée au niveau le plus bas par conséquent après des grandes pluies orageuses les maisons sont inondées avant que l’eau n’atteigne le niveau de la pompe. Ainsi notre but est d’étudier et de réinstaller une pompe au niveau le plus bas du bassin afin de pallier au problème d’inondation. Cette pompe sera alimentée par des cellules photovoltaïque car nous avons constaté que au moment où on a plus besoin de la pompe l’électricité est indisponible pendant les orages ce qui crée une occasion catastrophique. C’est pour cela nous proposons une alimentation des pompes par un système photovoltaïque dans le but d’être autonome ce qui fait l’objet de notre mémoire intitulé : REDIMENSIONNEMENT ET INSTALLATION D’UN SYSTEME DE POMPAGE PHOTOVOLTAIQUE D’EVACUATION DU BASSIN DE TOGO 2000 VERS LE FLEUVE ZIO. Le sujet sera abordé en trois chapitres : Premier chapitre : généralités sur l’énergie solaire photovoltaïque. Il sera développé sur la technologie des plaques photovoltaïques et ses différents systèmes. Le second chapitre sera consacré à l’étude de la réserve et choix du groupe électropompe. Le troisième chapitre sera le point sur le dimensionnement du système de pompage photovoltaïque. Nous y aborderons également une étude économique du projet. MEMOIRE LP/UL-ENSI 3 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES MEMOIRE LP/UL-ENSI 4 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES 1.1. INTRODUCTION : L’énergie photovoltaïque résulte de la transformation directe de la lumière du soleil en énergie électrique aux moyens des cellules généralement à base de silicium cristallin qui reste la filière la plus avancée sur le plan technologique et industriel, en effet le silicium est l’un des éléments les plus abondants sur terre sous forme de silice non toxique. En effet le mot " photovoltaïque " vient du grec " photo " qui signifie lumière et de " voltaïque " qui tire son origine du nom d’un physicien italien Alessandro Volta (1754 1827) qui a beaucoup contribué à la découverte de l’électricité, alors le photovoltaïque signifie littérairement la « lumière électricité » [1]. 1.2. RAYONNEMENT SOLAIRE : Malgré la distance considérable qui sépare le soleil de la terre 150.106 m, la couche terrestre reçoit une quantité d’ énergie importante 180.106 W , c’ est pour ça que l’ énergie solaire se présente bien comme une alternative aux autre sources d’énergie. Cette quantité d’ énergie quittera sa surface sous forme de rayonnement électromagnétique compris dans une longueur variant de 0,22 à 10 μm [4], l’énergie associe à ce rayonnement solaire se décompose approximativement comme suit: 9 % dans la bande des ultraviolets (< à 0,4 μ m) ; 47 % dans la bande visibles (0,4 à 0,8 μ m) ; 44 % dans la bande des infrarouges (> à 0,8 μ m). MEMOIRE LP/UL-ENSI 5 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES Figure.1.1: Réponse spectrale d’une cellule (PV), [4] Au cours de ces dix derniers années, ce spectre a été homologué par l’organisation international de standardisation (ISO 9845-1 :1992) et la société américaine de test et de matériaux (ASTM E 892-87 :1992) ont fixé le flux de standardisation à 1000 W/m2. Cette énergie est définie comme paramètre solaire qui a une valeur variable suivant la saison, l’heure, la localisation géographique du site, les conditions météorologiques (poussière, humidité,…etc.). 1.3. HISTORIQUE DE L’ÉNERGIE PHOTOVOLTAIQUE: Quelques dates importantes dans l’énergie photovoltaïque : 1839 : Le physicien français Edmond Beckerel découvre l’effet photovoltaïque. 1875 : Werner Von Siemens expose devant l’académie des sciences de Berlin un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. 1954 : Trois chercheurs américains Chapin, Peason et Prince fabriquent une cellule photovoltaïque. 1958 : Une cellule avec un rendement de 9 ℅ ; les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l’espace. MEMOIRE LP/UL-ENSI 6 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES 1973 : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’université de Delaware. 1983 : La première voiture alimentée en énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4000 Km en Australie. 1.4. PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE : Une cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0,3 et 0,7 V en fonction du matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température de la cellule. (voir figure 1.2) Figure 1.2: Principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique par cellule photovoltaïque Une cellule PV est réalisée à partir de deux couches de silicium, une dopée P (dopée au Bore) et l’autre dopée N (dopée au phosphore), créant ainsi une jonction PN avec une barrière de potentiel. Lorsque les photons sont absorbés par les semi-conducteurs, ils transmettent leurs énergies aux atomes de la jonction PN de telle sorte que les électrons (charges N) et des trous (charges P) créent alors une différence de potentiel entre les deux couches. Cette différence de potentiel est mesurable entre les connections des MEMOIRE LP/UL-ENSI 7 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES bornes positive et négative de la cellule. La tension maximale de la cellule est d’environ 0,6 V pour un courant nul, cette tension est nommée tension de circuit ouvert VOC. Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont court-circuitées ; il est appelé courant de court-circuit ISC et dépend fortement du niveau d’éclairement. 1.5. TÉCHNOLOGIES DES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES : Les cellules photovoltaïques sont des composants optoélectroniques qui transforment directement la lumière solaire en électricité, elles sont réalisées à l’aide des matériaux semi-conducteurs. L’énergie photovoltaïque fait appel généralement à une des technologies suivantes: la première technologie photovoltaïque recourt aux cellules de silicium monocristallin ou polycristallin ont la meilleure efficacité, qui varie généralement de 13 à 18 % , durée de vie est habituellement de plus de 25 à 30 ans et pour le monocristallin l’efficacité et de 12 à 15 % ; la deuxième technologie fait appel aux cellules de silicium amorphe est la deuxième technologie utilisée. L’efficacité est moindre, variant de 6 à 10 %. Leur durée de vie est généralement inférieure à 20 ans ; la troisième technologie fait appel à d’ autres matériaux semi conducteurs,tels que le Tellure de Cadmium(CdTe), Cuivre Indium Sélénium (CIS) et les jonctions à base d’Arséniure de Gallium (GaAs), cette technologies des multicouches est en voie de développement car chacune d ’ entre elles est sensible à des photons d ’ énergies différentes. Nous allons récapituler les différents types de technologie dans le tableau suivant (d’après Total énergie1 revue du 9 Juillet 2006). [18] MEMOIRE LP/UL-ENSI 8 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES Tableau 1.1: Rendement énergétique des différents types de cellules photovoltaïques Laboratoire 1.6. ÉTUDES BIBLIOGRAPHIQUES : Les générateurs photovoltaïques sont par leur nature des systèmes non linéaires. Ils font l’objet des grandes variations environnementales qui influent sur leur fonctionnement qui sont spécialement l’éclairement (l’insolation) et la température de la cellule. La première génération des systèmes photovoltaïques utilisée pour le pompage constitué d’un générateur et une charge seulement correspond à un couplage direct, c’est le couplage le plus simple à réaliser et le moins coûteux. [8] MEMOIRE LP/UL-ENSI 9 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES Appelbaum [9] a analysé le comportement dynamique d’un moteur à courant continu alimenté par un générateur photovoltaïque : le moteur a commencé à tourner seulement pour un niveau élevé d’insolation. Roger [10] a montré qu’un moteur à courant continu entraînant une pompe centrifuge représente un choix acceptable et qu’un moteur à aimant permanent est considéré comme le meilleur actionneur électrique pour le pompage photovoltaïque. Anis [11] a reporté qu’un moteur à courant continu entraînant une pompe volumétrique représente un mauvais choix pour le pompage photovoltaïque, parce que le moteur conduisant la pompe volumétrique demande un courant presque constant. La puissance maximale du générateur photovoltaïque (GPV) pour différents niveaux d’éclairement correspond aux valeurs optimales du courant et la tension ; le moteur à un niveau donné absorbe une puissance qui ne correspond pas à la puissance maximale du GPV, généralement cette puissance peut même être très inférieure à la puissance maximale du GPV, alors une optimisation est nécessaire pour une bonne exploitation de l’énergie photovoltaïque pour différents niveaux d’éclairement. Benlarbi et al [12] ont effectué une optimisation du rendement global du système par l’intégration entre l’onduleur et le panneau solaire d’un hacheur dévolteur survolteur qui garantit l’alimentation de l’onduleur avec les valeurs optimales du courant et de la tension obtenue en agissant sur le rapport cyclique du hacheur sur une machine DC ; MSAP ; MAS ont montrées que la quantité d’eau pompée avec l’utilisation d’une MSAP est meilleure par rapport aux autres machines. L’application des systèmes photovoltaïques n’est pas limitée au système isolé, mais peut être utilisée localement au niveau domestique. Dans ce cas une optimisation d’utilisation d’énergie est indispensable car il est nécessaire de faire un choix optimal sur la source à utiliser : réseau, batterie ou panneau solaire. De plus, dans le cas d’excès d’énergie produite à travers la conversion photovoltaïque, cette dernière peut être injectée au réseau dans le but d’optimiser de tels systèmes pour assurer un fonctionnement optimal de l’ensemble. De plus, de nouvelles techniques sont utilisées actuellement, basées sur l’intelligence artificielle telle que les réseaux neurones et la logique floue. Elles ont été appliquées pour optimiser les systèmes de pompage photovoltaïque. Généralement, le générateur MEMOIRE LP/UL-ENSI 10 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES solaire est fixe, mais il peut être orientable pour les régions où le flux lumineux est faible. L ’ orientation des panneaux est assurée soit manuellement, soit commandé par un circuit électronique ; le principe réside dans la poursuite du mouvement du soleil. Cette idée a donné naissance à une nouvelle procédure d’optimisation. 1.7. DIFFÉRENTES CONFIGURATIONS DES SYSTEMES PV [11]: Généralement une installation photovoltaïque comprend les éléments suivants : [4], [13] un générateur photovoltaïque ; un convertisseur statique continu / continu (DC/DC) ; un convertisseur statique continu / alternatif (DC/AC) ; Un système de régulation et de stockage ; une source auxiliaire d’appoints. Figure 1.3: Schéma synoptique d’une installation photovoltaïque 1.7.1. Système autonome sans batterie : Les systèmes photovoltaïques autonomes sans batterie sont représentés par les blocs (1) et (4) de la figure précédente. La charge de type continu est alimente directement par le GPV, car la production d’énergie est suffisante pour le fonctionnement de la charge. Ces systèmes sont représentés par les blocs [(1), (3), (4)] dans le cas où la charge est de type continu et les blocs [(1), (3), (5), (6)] si la charge est de type alternatif. La batterie MEMOIRE LP/UL-ENSI 11 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES sert à stocker de l’énergie produite par le GPV, alors l’énergie peut être utilisée de tout temps, même en l’absence de rayonnement solaire. [11] 1.7.2. Système fonctionnant au fil du soleil : Ces systèmes font intervenir des convertisseurs DC/DC qui permet de faire une adaptation entre le générateur et la charge continu [(1), (2), (4)]. Si la charge est de type alternatif, le convertisseur DC/AC est introduit [(1), (5), (6)]. [11] 1.7.3. Système avec appoint électrique : Pour ces systèmes on introduit des générateurs auxiliaires qui n’interviennent qu’en cas d’insuffisances d’énergie électriques (manque de rayonnement solaire ou batteries déchargées), ces générateurs auxiliaires peuvent être de type continu [(1),(2),(3),(4),(7)] et [(1),(2),(3),(4),(7),(9)] ; ou de type alternatif [(1),(2),(3),(5),(6),(8)] et [(1),(2),(3),(5),(6),(8),(9)]. Les sources auxiliaires peuvent être alimentées soit par le réseau soit par une autre source d’énergie. [11] 1.8. CONSTITUTION D’UN SYSTEME DE POMPAGE PHOTOVOLTAIQUE : Le pompage de l’eau est l’une des applications les plus courantes utilisant l’énergie solaire pour l’irrigation ou l’alimentation en eau potable ; ses performances dépendent des caractéristiques du site (ensoleillement, température ambiante, obstacles géographiques), du rendement des modules mais aussi des caractéristiques des autres équipements (onduleur, moteur, pompe,…). Le schéma général d’un système de pompage photovoltaïque étudié dans cette mémoire est le suivant MEMOIRE LP/UL-ENSI 12 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES Figure 1.4 : Schéma général d’un système de pompage photovoltaïque 1.9. GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE : Le générateur photovoltaïque représente la source de l’énergie électrique actionnant le moteur pompe. Il est constitué d’un ensemble de modules rangés sous forme de panneaux, les modules utilisés sont de type poly cristallin (BP 83), dont les caractéristiques sont données dans l’annexe A. La structure topologique du générateur est composée d’un nombre de modules séries s N et d’un nombre de modules parallèles p N. En fonction de la puissance désirée, les panneaux eux-mêmes peuvent être assemblés pour constituer le champ (générateur) photovoltaïque. 1.9.1. AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DE L’ÉNERGIE SOLAIRE : Les systèmes photovoltaïques présentent un grand nombre d ’ avantages et d’inconvénients . [15] MEMOIRE LP/UL-ENSI 13 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES Les systèmes photovoltaïques ont plusieurs avantages: ils sont non polluants sans émissions ou odeurs discernables ; ils peuvent être des systèmes autonomes qui fonctionnent sûrement, sans surveillance pendant de longues périodes ; ils n'ont besoin d'aucun raccordement à une autre source d'énergie où à un approvisionnement en carburant ; ils peuvent être combinés avec d'autres sources d'énergie pour augmenter la fiabilité de système ; ils peuvent résister à des conditions atmosphériques pénibles comme la neige et la glace ; ils ne consomment aucun combustible fossile et leur carburant est abondant et libre ; une haute fiabilité car l’installation ne comporte pas de pièces mobiles, ce qui la rend particulièrement appropriée aux régions isolées, d’où son utilisation sur les engins spatiaux ; le système modulaire de panneaux photovoltaïques permet un montage adaptable à des besoins énergétiques variés ; les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications allant du milliwatt au mégawatt ; la technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique car le produit et non polluant, silencieux, et n’entraîne aucune perturbation du milieu ; ils ont une longue durée de vie ; les frais et les risques de transport des énergies fossiles sont éliminés. Les systèmes photovoltaïques ont plusieurs inconvénients : la fabrication des modules photovoltaïques relève de la haute technologie, ce qui rend le coût très élevé ; le rendement réel d’un module photovoltaïque et de l’ordre de 10 à 15 % ; ils sont tributaires des conditions météorologiques ; MEMOIRE LP/UL-ENSI 14 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES l’énergie issue du générateur photovoltaïque est continu et de faible voltage (< à 30 V) donc il doit être transformé par l’intermédiaire d’un onduleur ; beaucoup d’appareils vendus sur le marché fonctionnent avec du 230 V alternatif. 1.10. CONCLUSION : Dans ce chapitre nous avons présenté le principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique par cellule photovoltaïque ainsi que les différentes configurations des systèmes photovoltaïques et enfin on a présenté le système de pompage photovoltaïque étudié dans ce document qui est constitué d’un ensemble d’éléments se trouvant en interaction ; à savoir les panneaux photovoltaïques, l’onduleur de tension, le groupe électropompe. MEMOIRE LP/UL-ENSI 15 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES MEMOIRE LP/UL-ENSI 16 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE MEMOIRE LP/UL-ENSI 17 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE 2.1. INTRODUCTION L'assainissement est une démarche visant à améliorer la situation sanitaire globale de l'environnement en supprimant toute cause d'insalubrité. Le manque d’assainissement est à l'origine de plusieurs décès par maladies diarrhéiques. C'est un facteur majeur dans la propagation de plusieurs maladies tropicales négligées, parmi lesquelles les parasitoses intestinales, la schistosomiase et le trachome. Une étude de l’OMS en 2012 a démontré que pour chaque dollar (US $) investi dans l’assainissement, on obtient en retour 5,50 dollars (US $) provenant de la baisse des dépenses de santé, des gains de productivité et de la diminution du nombre des décès prématurés. Il est donc clair que l’assainissement constitue un service essentiel pour le bien-être et la santé des populations. [17] Tous les quartiers de Lomé au Togo souffrent de ce faible taux d’accès à l’assainissement. L’élimination des eaux usées constitue l'une des plus grandes difficultés que rencontrent les autorités municipales. Ces difficultés se traduisent par la stagnation des eaux usées dans de nombreux quartiers. C’est notamment le cas du quartier HEDZRANAWOE qui subit une insalubrité notable due au manque d’assainissement. 2.2. PRESENTATION DE LA RETENUE Situation géographique HEDZRANAWOE est l'un des plus grands quartiers de Lomé. Il est situé dans la région maritime et abrite 1.437.247 habitants. La position géographique du quartier implique une relation forte avec l’eau. Il s’étend sur 9 000 ha = 90 km2 avec une densité de 10.350hab/km2 et a une retenue aussi grande non loin de Togo 2000. Cette retenue de coordonnée géographique de 6º11’16’’ N et 1º15’16’’E Peut retenir jusqu’à 135 000 m3 d’eau et cette surface est maintenue naturelle. (Voir figure 2.1) Cette retenue qui permet de mettre le quartier HEDZRANAWOE sain et propre n’arrive plus à subvenir aux besoins du quartier. MEMOIRE LP/UL-ENSI 18 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE A moins de 17 km se trouve le fleuve ZIO, pour sauver cette population on prévoit évacuer cette retenue vers le fleuve. Coordonnée géographique du fleuve ZIO se situe à l’est de la retenue et 135 000 m3. Figure 2.1 : Image de la retenue vue de l'est 2.2.1. DEBIT EN M3 DE LA RETENUE La profondeur est généralement observée à une profondeur de 2 mètres par rapport au terrain naturel. Elle est en réalité fortement liée à la saison, qui en saison des pluies occasionne un débordement de retenue causant de réels désagréments pour les habitants. A l’instar des autres quartiers de la ville, les eaux de pluie s’infiltrent difficilement et vu la topographie elles ne ruissellent que faiblement vers les retenues. Elle fait 135 000 m3 comme volume de rétention totale. MEMOIRE LP/UL-ENSI 19 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE 2.2.2. CHOIX DE LA POSITION DE LA POMPE Considérations générales sur les systèmes d’installation. Il existe deux types d’installation : soit en fosse noyée, soit en fosse sèche. Chacun de ces systèmes a ses avantages et ses inconvénients, tels qu’explicités ci-après : Dans ces deux systèmes d’installation il est préférable de connaitre l’arrivée des caniveaux lors des opérations de maintenance. 2.2.2.1. FOSSE NOYÉE Présentation des avantages et inconvénients de la Pompe submersible en fosse noyée. Elle permet : la simplification de la conception et de la réalisation des travaux de génie civil ce qui se traduit par un moindre coût des investissements ; d’éviter la construction d’ouvrage en surface ; un équipement hydraulique simplifié ; l’installation de la robinetterie dans un regard annexe (chambre des vannes) ; de s’affranchir des contraintes liées à la tuyauterie d’aspiration ; la réduction très sensible du bruit au niveau du ou des groupes électropompes installés ; le levage simple de la pompe pour les interventions de maintenance. Elle nécessite : un moyen de levage approprié ainsi qu’une plate-forme d’évolution adéquate ; d’installer en plein vent, l’armoire des appareillages de commande, de contrôle et de protection (prévoir les risques de déprédation) ; des interventions plus coûteuses en cas d’incidents et de réparations nécessaires, tout particulièrement au niveau des moteurs ; des systèmes de ventilation en cas d’intervention dans la fosse. MEMOIRE LP/UL-ENSI 20 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE Figure 2.2 : Pompe submersibles sur pied d'assise avec barre de guidage Figure 2.3: Pompe en tube à roue axiale ou semi-axiale 2.2.2.2. FOSSE SÈCHE Présentation des avantages et inconvénients de la Pompe submersible en fosse sèche. Elle permet : une exploitation plus simple et plus hygiénique en raison d’un accès plus aisé au matériel ; MEMOIRE LP/UL-ENSI 21 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE d’avoir un équipement électrique logé à l’abri et ainsi soustrait à tout risque de dégradation ; une plus grande facilité d’intervention sur le matériel (pompe, moteur et robinetterie) dans des conditions d’ambiance et de salubrité acceptables ; plus de latitude et de souplesse pour traiter les problèmes d’installation à caractéristiques hydrauliques importantes ; l’adaptation intéressante d’une protection anti-bélier par volant d’inertie. Elle nécessite : un génie civil important ; l’installation d’un groupe auxiliaire pour le relèvement des eaux d’infiltration, de suintement ou d’inondation ; la ventilation de la fosse ; un équipement hydraulique plus conséquent, pouvant entraîner un surcoût (tuyauterie d’aspiration nécessaire, vanne,…), des précautions particulières en vue d’assurer une étanchéité de la traversée des parois par les canalisations de l’extérieur vers l’intérieur. Figure 2.4 : Pompe submersible dénoyée en fosse sèche MEMOIRE LP/UL-ENSI 22 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE Pour notre projet nous avons choisi l’installation de la pompe submersible dénoyée en fosse sèche vu les avantage qu’elle nous présente et en fonction des critères de la retenue. Le groupe électropompe submersible ABS de type XFP 301M – CH2 PE750/6 est capable de subvenir à notre besoin pour l’évacuation de cette retenue avec un très bon débit. Figure 2.5 : Pompes d’Assainissement Submersibles Type ABS XFP 2.2.3. CHOIX DU NIVEAU DES CAPTEURS Un indicateur de niveau permet de mesurer un niveau d’eau dans un réservoir. Il existe également plusieurs méthodes de mesure de niveau : Méthodes hydrostatiques : flotteur, plongeur, palpeur électromagnétique, capteur de pression et capteur à bulbe. Méthodes électriques de mesure de niveau : Sonde conductrice, sonde capacitive Méthodes fondées sur l'utilisation de rayonnements : Sonde à ultrasons, radar, sonde optique. La mesure de niveau comprend un capteur, un indicateur, et un boîtier de raccordement. MEMOIRE LP/UL-ENSI 23 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE Pour cette retenue on choisit un capteur sonde conductrice par défaut car le démarreur qu’on aura à choisir est doté d’un capteur intégré. Figure 2.6 : Capteur hydrodynamique 2.3. PRINCIPALES DISPOSITIONS ET DÉFINITIONS DES DIFFÉRENTS APPAREILS ÉLÉVATOIRES : Les principales dispositions et définitions des différents appareils élévatoires se résume comme suit : [19] On distingue plusieurs types de pompes: 2.3.1. Pompes de surface (ou hors d’eau) Ces pompes peuvent être : à axe horizontal Figure 2.7 : Disposition monobloc vitesse variable MEMOIRE LP/UL-ENSI Figure 2.8 : Disposition monobloc avec vitesse fixe 24 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE Figure 2.9 : Pompe multicellulaire horizontale sur châssis, support avec manchon d'accouplement à axe vertical avec ou sans accouplement semi-élastique, leur installation est réalisée avec moteur et pompe hors d’eau. Figure 2.10 : Pompe multicellulaire à axe vertical et raccords en ligne 2.3.2. Pompes immergées de forage Ces pompes peuvent être : - avec moteur immergé, la pompe et le moteur sont noyés ; la disposition étant souvent verticale, mais pouvant, dans certains cas, être horizontale, voire oblique MEMOIRE LP/UL-ENSI 25 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE Figure 2.11: Pompe immergées verticale de forage Figure 2.12: Pompe horizontale avec chemise de refroidissement avec moteur sur bâti, pompes noyées à axe vertical ligne d'arbre Figure 2.13 : Pompe verticale à ligne droite MEMOIRE LP/UL-ENSI 26 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE 2.3.1. ROUES DE POMPE ET PASSAGE LIBRE Les roues à écoulement radial de forme classique pour liquide clair ne peuvent pas convenir pour le relevage des eaux chargées de plus ou moins forte concentration de matières. La notion de section de passage libre est matérialisée par le diamètre d’une sphère susceptible de pouvoir transiter à l’intérieur de la pompe sans risque de bouchage. [19] Les roues à utiliser dans les pompes de relevage d’eaux usées sont de l’une des conceptions suivantes : avec flasque d’usure et système de décharge ; roue à un ou plusieurs canaux ouverts ; Semi-ouverte ou fermée (suivant l’importance du débit) ; roue dite dilacératrice (à broyeur) ; roue dite sécatrice (à couteau) ; roue à effet vortex ; roue hélice (écoulement axial) ; Corps de pompe. Immergé [1] Avec moteur hors d’eau non immergé (figure 2.2 du document) ; Avec moteur hors d’eau ; Avec moteur immergé (figure 2.4 du document) ; [1] immergé signifiant : totalement recouvert d’eau en permanence. 2.3.2. ACCOUPLEMENT MOTEUR/POMPE Accouplement semi-élastique entre pompe et moteur. Ceci concerne plus spécialement les groupes horizontaux de surface et les groupes verticaux à ligne d’arbre dans lesquels la liaison entre bout d’arbre pompe et bout d’arbre moteur est réalisé au moyen d’un organe d’accouplement. MEMOIRE LP/UL-ENSI 27 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE En aucun cas cet organe ou l’une de ses pièces constitutives ne peut être considéré comme pièce de rupture. Les dimensions en sont données par la norme NFE 44221 et par le fascicule de documentation FD E 44190. L’accouplement est du type semi-élastique ; une pièce d’espacement est vivement conseillée pour la maintenance. L’accouplement permet : une grande liberté de choix pour le moteur électrique, notamment l’utilisation de modèles classiques, normalisés, du commerce ; de rendre indépendants les paliers du moteur de la poussée axiale hydraulique due à la pompe ; de rendre indépendants les paliers de la pompe de ceux du moteur (thermique) ; au démarrage la répercussion du « sur-couple » ; la mise en place d’un volant d’inertie ; L’accouplement nécessite : un encombrement plus important, surtout dans le cas de groupes horizontaux, une réalisation soignée du massif de génie civil ; une très grande attention au moment du montage : sur la mise à niveau entre le châssis support et le massif béton, pour la mise en ligne de la ligne d’arbres « pompe moteur». 2.3.3. MOTEURS ÉLECTRIQUES D’ENTRAÎNEMENT Les moteurs submersibles sont conçus pour fonctionner totalement noyés en permanence et/ou partiellement ou complètement dénoyés [19]. Pour assurer ces fonctions : les entrées de câble doivent être réalisées en usine de façon à éviter toute infiltration ou remontée capillaire d’eau dans le moteur ; MEMOIRE LP/UL-ENSI 28 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE la température du moteur doit être surveillée par des capteurs intégrés qui contribuent, par l’intermédiaire d’automatismes, à assurer la protection en cas de surchauffe. Si la pompe à moteur submersible est installée horizontalement, il faut s’assurer que cette position est admise par le fabricant. Dans le cas de fort débit, il est conseillé de soumettre au préalable les conditions de pose au fabricant. Les moteurs de surface d’une manière générale, quel que soit leur type, ces moteurs sont déterminés (classe de protection, d’isolement, d’échauffement et d’efficacité énergétique) en fonction de la règlementation, des lieux d’installation et des conditions d’exploitation. 2.4. ÉQUIPEMENTS Il est nécessaire de mettre en place en complément aux pompes et aux accessoires hydrauliques, aux matériels spécifiques qui ont toujours pour objectif une amélioration de la qualité et de la fiabilité de l’installation concernée [19]: un dispositif de dégrillage ; un débitmètre (avec les longueurs droites de tuyauterie à respecter) ; une pompe de secours ; les appareils de mesure en façade (ampèremètre, voltmètre, fréquencemètre) ; Et dans certains cas : un variateur de vitesse électronique ; un groupe électrogène ; des systèmes de remise en suspension et/ou de nettoyage. MEMOIRE LP/UL-ENSI 29 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE 2.5. PRESENTATION DE LA POMPE CHOISI Lorsque l’écoulement gravitaire n’est pas possible, les appareils élévatoires à mettre en œuvre sont essentiellement de trois types : pompes, vis d’Archimède, aéro-éjecteurs. Tous les appareils élévatoires, du fait de leurs caractéristiques propres, sont soumis à des conditions et limites d’emploi dont les principales sont les suivantes : POMPES : centrifuges, hélicocentrifuges, hélice ou à effet vortex, volumétriques telles que pompes à piston, à membrane et certains modèles de pompes à vis. [19] L’ensemble de ces matériels : Permet : des hauteurs de relevage assez importantes (HMT) sans limitation de débit ; une grande facilité d’installation ; une grande souplesse d’exploitation. Nécessite une sélection adaptée aux eaux pompées. En conséquence, les pompes représentent le type d’appareil élévatoire le plus universel et, comme dans la plus grande majorité des cas, on fait appel aux pompes centrifuges, les prescriptions qui suivent ne traiteront que de ce type de machines. Puissance moteur et Vitesse, PE1 - PE6 (voir tableau 2.1) MEMOIRE LP/UL-ENSI 30 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE Tableau 2.1:Tableau selectif des puissances de moteurs MEMOIRE LP/UL-ENSI 31 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE Légende Légende Figure 2.14 : Les Vues en coupe de la pompe type XFP ABS [19] MEMOIRE LP/UL-ENSI 32 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE 2.5.1 Principales applications La pompe d’assainissement submersible type ABS XFP est conçue pour les eaux usées industrielles et municipales et est équipée du moteur à Rendement Premium (IE3) pour: certifié ATEX (Ex II 2G k Ex d IB T4), FM et CSA en standard pour PE1PE3 ; certifié ATEX (Ex II 2G k Ex d IIB T4), FM et CSA disponible en option pour PE4-PE6 ; eaux claires et eaux usées ; eaux usées contenant des solides et matières fibreuses ; eaux brutes industrielles ; réseaux unitaires et bassins d’orage rendement premium. Les pompes de la gamme XFP bénéficient le moteur que sur l’hydraulique, permettant d’une amélioration importante tant sur des économies importantes: consommation d’énergie réduite ; coûts d’exploitation diminués ; coûts de maintenance limités ; moins de pannes causées par des dommages et des blocages. Des économies considérables au service de la préservation de l’environnement, avec notamment une réduction de l’empreinte carbone. Les pompes XFP contribuent à augmenter la fiabilité et l’efficacité de votre installation tout en envisageant un avenir plus vert. Une installation adaptée à chaque besoin. Les pompes submersibles XFP peuvent être installées selon les exigences de chaque client: installation immergée sur pied d’assise ; installation immergée transportable sur trépied ; installation fosse sèche verticale ; installation fosse sèche horizontale. MEMOIRE LP/UL-ENSI 33 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE 2.5.2 Caractéristiques et avantages des moteurs (IE3) PE1-2 isolation classe H (140°). Augmentation de température NEMA classe A jusqu’à 110 kW et classe B au-delà ; très grande durabilité du moteur ; facteur de service 1.3 ; permet le fonctionnement occasionnel à faible tension, fréquence plus élevée; (groupe électrogène) et pour une température plus élevée du fluide ; indication précoce de défaillance dans la garniture mécanique ; PE3 à PE6 : Sonde d’humidité DI supplémentaire, pour la chambre de connexion et la partie motrice en option et en standard pour PE6 ; PE4 à PE6 : Protection thermique additionnelle pour les roulements supérieur et inférieur en option et en standard pour PE6. Options de capteurs : commutateur bimétallique, PTC ou PT100 ; indication précoce de défaillance dans la garniture mécanique ; PE1 et PE2 : Moteur refroidi à l’huile en standard en 50 Hz ; fonctionnement continu en installation à sec ; PE3 à PE6 : Refroidissement en boucle fermée avec échangeur thermique intégré en option, en standard en PE6 ; fonctionnement continu en installation immergée avec moteur non immergé PE5 à PE6 : Capteur de vibration en option ; indication précoce de vibration. 2.5.3 MAINTENANCE DE LA POMPE Il est nécessaire de prévoir : l’espace suffisant pour toute opération d’entretien ; la maîtrise des effluents lors des opérations de maintenance ; une prise d’eau claire (hygiène) ; une prise de pression pour régimes permanents/transitoires ; MEMOIRE LP/UL-ENSI 34 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE une prise de courant pour baladeuse ou outillage électrique ; un moyen de levage ou sa possibilité d’installation ; une vidange de la conduite de refoulement. 2.6. DIMENSIONS DES TUYAUX DE RACCORDEMENT A ce sujet, deux critères sont à considérer : les sections de passage des pompes ; les sections de passage des tuyauteries ; Figure 2.15 : Image illustrant le raccordement 2.6.1. SECTION DE PASSAGE DES POMPES Dans l’état actuel de la technique et compte tenu des informations recueillies auprès des fabricants, les sections admissibles des corps solides pouvant transité dans les pompes d’assainissement sans risque d’obstruction sont, pour diverses conceptions de roue, en adéquation avec le dégrillage placé en amont. 2.6.2. SECTION DE PASSAGE DES TUYAUTERIES A titre indicatif, le diamètre minimum est fixé à 80 mm. L’emploi de pompes dilacératrices permet de diminuer ce diamètre jusqu’à 32 mm. Par ailleurs, la vitesse d’écoulement ne doit pas être inférieure à 0,7 m/s afin d’éviter tout phénomène de formation de biofilm. [21] En conséquence, il en résulte pour les stations de pompage un débit horaire minimum. MEMOIRE LP/UL-ENSI 35 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE Certaines limites sont à envisager pour les vitesses d’écoulement, car les pertes de charge variant sensiblement comme le carré des vitesses, il pourrait en résulter des hauteurs manométriques trop importantes et une forte consommation d’énergie. 2.7. CHOIX DE LA POSITION DES PANNEAUX Pour la position d’un panneau certains critères doivent être vérifiés : 2.7.1. Définition TERRE SOLAIRE : On parle d’Azimut pour définir l’angle que forme l’orientation de vos panneaux solaires par rapport au plein sud. L’inclinaison des panneaux se mesure par l’angle formé par vos panneaux par rapport à l’horizontal. Le rendement d'un module photovoltaïque varie avec l'angle d'incidence des rayons solaires. La position que vous allez donner à vos panneaux solaires va donc avoir une influence sur la production. L'objectif de cet article est de vous permettre de déterminer la position optimale des panneaux solaires pour une installation en site isolé. Figure 2.16 : Image indiquant l'orientation d'un panneau solaire MEMOIRE LP/UL-ENSI 36 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE La position d'un panneau est en fait : Son orientation, ou azimuth, c'est-à-dire l'angle qu'il fera avec l'axe nord-sud dans le plan horizontal. son inclinaison, c'est-à-dire l'angle qu'il fera avec le plan horizontal. Orientation optimale. pour l'orientation, c'est relativement simple : du moment que l'horizon est dégagé, il faut orienter votre panneau solaire vers le sud si vous êtes dans l'hémisphère nord et vers le nord si vous êtes dans l'hémisphère sud. A proximité de l'équateur, l'inclinaison optimale est grosso modo l'horizontale, par conséquent, l'orientation du panneau solaire n'est pas vraiment importante. Figure 2.17 : Image montrant l'orientation en azimut et l'inclinaison du panneau 2.7.2. Inclinaison optimale Pour une installation solaire en site isolé, c'est-à-dire sans raccordement à un réseau électrique, l'inclinaison optimale est généralement celle qui permet d'optimiser la production des panneaux solaires pendant le mois le moins ensoleillé. En effet, le dimensionnement de vos panneaux est basé sur ce mois. Pour notre retenue les panneaux seront installés aux centres de la retenue et faire le stockage dans une salle qui sera construite à côté de la retenue sur un sol bien sec. MEMOIRE LP/UL-ENSI 37 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE 2.8. LE DEMARAGE AUTOMATIQUE ET MANUEL PAR UN DEMARREUR CONVENABLE En définition, un démarreur est un moteur électrique de couple élevé spécifiquement conçu pour fonctionner sous de fortes charges électriques. Pour l’efficacité de notre travail on doit prévoir un démarreur automatique puis manuel à la fois pour facilite la résolution de panne s’il y a lieu et un démarreur programmable serait mieux. 2.8.1. LES TYPES DE DEMARREURS Ce choix se fait aussi en fonction des critères du moteur (voir le tableau 2.2) : Tableau 2.2 : Tableau illustrant le choix des démarreurs MEMOIRE LP/UL-ENSI 38 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE 2.8.2 DEMARREUR ATS48C14Q Le démarreur-ralentisseur Altistart 48 est un gradateur à 6 thyristors assurant le démarrage et l’arrêt progressifs en couple des moteurs asynchrones triphasés à cage, pour des puissances comprises entre 4 et 900 kW. Il intègre les fonctions de démarrage et ralentissement en douceur, de protection des machines et des moteurs et les fonctions de communication avec les automatismes. Ces fonctions répondent aux applications les plus courantes de machines centrifuges, de pompes, de ventilateurs, de compresseurs et de convoyeurs, que l’on rencontre principalement dans les activités du bâtiment, de l’agro-alimentaire et de la chimie. Les performances des algorithmes de l’Altistart 48 ont été mises au service de la robustesse, de la sécurité et de la facilité de mise en œuvre. Le démarreur-ralentisseur Altistart 48 est une solution économique, il permet de : réduire les coûts d’exploitation des machines en diminuant les contraintes mécaniques et en améliorant leurs disponibilités ; réduire les sollicitations sur la distribution électrique, en diminuant les pointes de courant et les chutes de tensions en ligne liées aux démarrages des moteurs ; L’offre démarreur-ralentisseur Altistart 48 se compose de 2 gammes : tensions triphasées de 230 V à 415 V, 50/60 Hz ; tensions triphasées de 208 V à 690 V, 50/60 Hz ; Pour chaque gamme de tension, les démarreurs-ralentisseurs Altistart 48 sont dimensionnés en fonction des applications standard et sévères. 2.8.3. L’installation du système de démarrage Un coffret d’alimentation et de sécurité Le coffret est complètement pré câblé et livré « plug and Play ». Il est équipé de connectiques MC4 permettant le branchement aisé des panneaux photovoltaïques. Le coffret contient également un sectionneur permettant de couper l’alimentation fournie par les panneaux solaires. Un variateur transforme le courant électrique DC produit par les panneaux photovoltaïques en courant électrique alternatif. Un disjoncteur protège l’alimentation du moteur des surcharges et surintensités. MEMOIRE LP/UL-ENSI 39 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE Légende 1. Le démarreur-ralentisseur Altistart 48. 2. comporte un terminal intégré dans le démarreur. 3. un contacteur en fin de démarrage avec maintien des protections électroniques, MEMOIRE LP/UL-ENSI 40 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE 4. Un terminal déporté pouvant être installé sur la porte d’un coffret ou d’une armoire. 5. Logiciel SoMove de mise en service pour PC : Le logiciel SoMove intègre différentes fonctionnalités destinées aux phases de mise en œuvre de l’appareil : préparation des configurations, mise en service, maintenance. 6. Une offre accessoire de câblage facilitant le raccordement du démarreur avec des automates par connexion sur liaison série Modbus. Figure 2.18 : Les differentes parties du demarreur 2.8.3.1. Les appareils de mesure visibles sur le coffret du démarreur Pour des raisons de sécurité nous avions besoin de savoir les valeurs des grandeurs électriques vu l’utilisation de ses appareils de mesure : voltmètre Figure 2.19 : Le cadran du voltmètre Modèle à échelle normale Classe de précision : 1,5 Élément de mesure ferromagnétique 40-60 Hz Échelle pseudo linéaire Cadran interchangeable ampèremètre : Figure 2.20 : Le cadran de l’ampèremètre MEMOIRE LP/UL-ENSI 41 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE Modèle à échelle normale Classe de précision : 1,5 Élément de mesure ferromagnétique 40-60 Hz Échelle pseudo linéaire (Ferro) Cadran interchangeable fréquencemètre : Figure 2.21 : Le cadran du fréquencemètre Classe de précision : 0,5 de Fn Échelle linéaire Élément de mesure magnétoélectrique et convertisseur de fréquence Domaine d’utilisation : 0,8 Un à 1,2 Un mesureur de la puissance réactive : Figure 2.22 : Cadran de la puissance réactive Classe de précision : 1,5 Élément de mesure magnétoélectrique Échelle linéaire Cadran interchangeable. 2.8.4. Schéma du câblage du démarreur Les schémas de circuit de puissance et de commande sont présentés par les figures (2.23) et (2.24) : MEMOIRE LP/UL-ENSI 42 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE Figure 2.23 : Le circuit de puissance du démarreur. Figure 2.24 : Le circuit de commande du démarreur. 2.8.5. Protection Il est possible de connecter le bornier de la carte contrôle des sondes PTC intégrées au moteur et mesurant sa température. Cette information analogique est gérée par le démarreur. MEMOIRE LP/UL-ENSI 43 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE Le traitement de l’information par un capteur thermique sonde PTC peut être utilisé de deux façons. arrêt sur défaut lorsque le signal est actif. alarme lorsque le signal est actif cet alarme peut être visualisée dans un mot d’Etat du démarreur liaison série ou sur une sortie logique configurable. Nb : la protection par PTC ne désactive pas la protection thermique moteur effectué par calcul les deux peuvent cohabiter. 2.8.6. La maintenance Pour ce démarreur le fabriquant a prévu les étapes de la maintenance : 2.8.6.1. Entretien L’artistart 48 ne nécessite pas d’entretien préventif. Il est néanmoins conseille à intervalles réguliers de : vérifier l’état et le serrage des connexions ; s’assurer que la température au voisinage de l’appareil reste à un niveau acceptable et que la vérification reste efficace (durée de vie moyenne des ventilateurs : 3 a 5ans selon les conditions d’exploitation. 2.8.6.2. Assistance à la maintenance En cas d’anomalie a la mise en service ou en exploitation, s’assurer tout d’abord que la recommandation relative à l’environnement au montage et aux raccordements ont été respectées. Le premier défaut détecte est mémorise et affiche sur l’écran : le démarreur se verrouille et les relais R1, R2 changent d’état, selon leur affectation. 2.8.6.3. Effacement du défaut couper l’alimentation contrôle du démarreur en cas de défaut non re- armable ; attendre l’extinction totale de l’afficheur ; MEMOIRE LP/UL-ENSI 44 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 2 : ETUDE DE LA RESERVE ET CHOIX DU GROUPE ELECTROPOMPE rechercher la cause de défaut pour l’améliorer ; rétablir l’alimentation : ceci a pour effet d’effacer le défaut si celui-ci a disparu ; dans certains cas il peut y avoir redémarrage automatique après disparition du défaut si cette fonction a été programmée. 2.8.6.4. Menu surveillance Il permet la prévention et la cause des défauts par affichage de l’état du démarreur et de ses valeurs courantes. 2.9. CONCLUSION Dans ce chapitre nous avons abordé la présentation du site, à commencer par la présentation de la retenue et son dimensionnement, ensuite on a abordé brièvement le choix de la pompe et de sa position puis sa maintenance, sachant que le démarrage est possible en deux cas (manuel comme automatique avec les capteurs de niveau), c’est pour ça que on a eu à faire une étude des capteurs et le choix pour notre projet, et pour terminer une petite étude sur la position des panneaux. Pour la troisième partie de ce document nous avons fait le dimensionnement du groupe électropompe. MEMOIRE LP/UL-ENSI 45 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE MEMOIRE LP/UL-ENSI 46 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE 3.1. Introduction Dans les chapitres précédents, nous avons fait des études sur l’énergie solaire photovoltaïque ainsi que le choix du groupe électropompe de pompage solaire photovoltaïque tout en présentant le groupe électropompe et ses caractéristiques. Dans ce chapitre, nous allons étudier le système de pompage utilisé ainsi que le dimensionnement du groupe électropompe et l’électrification de salle de commande. 3.2. Méthodes de pompages Pour pomper l’eau avec un système photovoltaïque, deux techniques sont possibles : dans la première technique, l’énergie solaire est consommée en « temps réel » ; On parle alors d’un « pompage au fil du soleil » ; Cette solution nécessite un stockage de l’eau dans un réservoir (l’eau pompée pendant la journée est stockée afin d’être utilisée plus tard, le soir par exemple) ; la deuxième méthode consiste à utiliser un stockage d’énergie, cette fois-ci, via des batteries ; l’énergie stockée dans la journée peut être utilisée plus tard pour pomper l’eau [12]. 3.2.1. Pompage « au fil du soleil » Comme on va le constater, la méthode de pompage « au fil du soleil » permet d’avoir un système photovoltaïque plus simple, plus fiable et moins coûteux qu’un système utilisant des batteries pour stocker de l’énergie d’abord. En effet, dans cette première technique, c’est l’eau elle-même qui est pompée et stockée lorsqu’il y a suffisamment d’ensoleillement. On parle alors d’un stockage hydraulique. L’eau est stockée dans un réservoir à une hauteur au-dessus du sol pour qu’elle soit, au besoin ensuite, distribuée par gravité. Il faut bien signaler ici que le réservoir d’eau peut souvent être construit localement. En plus, il ne requiert pas un entretien complexe et peut être réparé localement. La capacité de stockage peut varier d’un à plusieurs jours selon les modèles. [9] MEMOIRE LP/UL-ENSI 47 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE 3.2.2. Pompage avec batteries La méthode de pompage d’eau en utilisant l’énergie stockée dans des batteries peut avoir l’avantage de garantir une stabilité d’alimentation des équipements (système présentant l'avantage d'un débit régulier, la possibilité de pomper lorsque le soleil est absent). L’énergie emmagasinée peut être utilisée aussi pour d’autres besoins ultérieures. L’inconvenient majeur, voir handicapant, de cette technique est qu’elle comporte plusieurs composants qui influent négativement sur la fiabilité et le coût global du système. En effet, les batteries sont fragiles et sont souvent les premiers éléments qui auront besoin d’être changés. Elles nécessitent, en outre, un entretien constant et un contrôle rigoureux de leur charge et décharge. Les contrôleurs utilisés pour régulariser la charge et la décharge des batteries vieillissent rapidement et peuvent s’avérer non fiables. Les batteries introduisent également un certain degré de perte de rendement d’environ 20% à 30 % de la production d’énergie [9]. 3.3. Notions hydrauliques Les stations de pompage sont constituées d’une ou plusieurs pompes qui aspirent des volumes d’eau et les refoulent sous une certaine pression dans les canalisations du réseau. Les paramètres nécessaires pour dimensionner la pompe solaire sont le débit d'exploitation et la hauteur à laquelle la pompe devra refouler. Celle-ci est majorée par des pertes de charges et de la pression de refoulement dans la conduite [9]. 3.4. Le débit Q Le débit fourni par une pompe est la quantité d’eau qu’elle refoule durant un intervalle de temps donné. En pompage solaire, le débit est souvent exprimé en m3 par jour. 3.5. Détermination de l’énergie solaire disponible La ressource solaire peut être estimée assez facilement avec un faible degré d’erreur. L’énergie solaire disponible est exprimée en (kWh/m2/j). Elle dépend de la situation MEMOIRE LP/UL-ENSI 48 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE géographique du site. D’après la carte d’ensoleillement de l’Afrique établie par Total Energie, le Togo se situe dans la zone 2 avec égale à 3,87 kWh/m2/j. Au Togo pour une installation autonome éclairage, l’ensoleillement moyen est de l’ordre de 5 kWh/m2/j, mais pour ce qui concerne le quartier de Togo 2000 nous avons une énergie solaire disponible de 4,4 kWh/m2/j. [1] 3.6. Choix de la pompe Le choix de la pompe est basé sur les deux facteurs suivants : la hauteur manométrique totale HMT (m) ; le débit d’eau total souhaité (m3/jour). Pour un niveau dynamique : Nd < 6 m (puit ou retenue d’eau), utilisation d’une pompe de surface ; Nd de 10 m à 100 m, utilisation d’une pompe immergée centrifuge ; Nd > à 100 m, utilisation d’une pompe immergée volumétrique [5]. Pour les pompes de petite puissance (petite HMT et faible débit journalier) les moteurs sont en courant continu sans balais et de faible tension ; 12V ou 24V. Pour les pompes de moyenne puissance (HMT de 10 à 60 m et débit journalier moyen) les moteurs sont en monophasé ou triphasé avec un convertisseur continu/alternatif (onduleur), extérieur ou intérieur à la pompe. La tension d’alimentation peut être soit en continu soit en alternatif inférieure à 250V. Dans le chapitre précédant, la pompe choisie a été bien présentée. 3.7. Le convertisseur d’énergie La transformation du courant continu en courant alternatif est nécessaire dans le cas où la pompe qu’on veut utiliser est fabriquée pour être utilisée en courant alternatif. Mais aujourd’hui les pompes solaires qui se trouvent sur le marché comme Grundfox sqflex MEMOIRE LP/UL-ENSI 49 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE ont des onduleurs intégrés, ce qui fait que ces pompes sont directement alimentées en courant continu d’où le non nécessité d’un convertisseur. Dans notre travail pour assurer l’évacuation rapide et assurer nous choisissons la pompe en courant alternatif. 3.8. Calcul des besoins en énergie électrique Pour évaluer les besoins énergétiques ; il est nécessaire de faire la liste de tous les appareils à installer avec leur puissance nominale en watt (W) et estimer leurs nombre d’heures d’utilisation par jour. Le bilan de puissance nous permet de savoir réellement les besoins énergétiques journaliers à satisfaire. Dans notre travail le dimensionnement se fera en un seul volet mais tout en faisant insérer le dimensionnement de la salle de contrôle. L’énergie journalière (kWh/jour) est la consommation journalière de tous les appareils électriques du quartier. Elle est obtenue en faisant le produit de la puissance nominale de chaque appareil par le nombre d’appareil et par la durée d’utilisation de chaque appareil. Elle est calculée par la relation (3.1) : Ej= ∑ Pi×Ni×Di (3.1) Où : Ej : est l’énergie journalière de chaque appareil (KWh /jour) ; Pi : est la puissance nominale de chaque appareil (W) ; Di : est la durée d’utilisation de chaque appareil (h) ; Ni : est le nombre d’appareil. L’énergie journalière totale ( ) est la consommation journalière totale de tous les équipements électriques du site ; elle est obtenue par la somme de l’énergie journalière de chaque appareil (relation 3.2). MEMOIRE LP/UL-ENSI 50 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE = (3.2) = 901 296 Wh / jour ≈ 902 kWh/jr Où : Ej : L’énergie journalière de chaque appareil (Wh /jour) ; Ejr: est l’énergie journalière totale (Wh/jour). DIMENSIONNEMENT DU SYSTÉME PHOTOVOLTAIQUE : 3.9. Selon le choix de la puissance de la pompe et pour avoir la quantité d’eau pompée pour un éclairement et une température donnée, on peut dimensionner le générateur photovoltaïque par le choix de la meilleure combinaison entre les types et les nombres des modules. 3.9.1. Dimensionnement du groupe électropompe : Le moteur qui entraîne la pompe peut être dimensionné selon la quantité d’eau demandée. Le débit d’eau lié à la puissance mécanique absorbée par la pompe est donné par la relation (3.3) : Q= 𝑃𝑝∗𝐻𝑝 (3.3) 𝑟∗𝑔∗𝐻 Pp : puissance prête Hp : hauteur de la pression r : La masse volumique de l’eau (=1000 kg au m3). g : La gravité terrestre [9,81 m/s2] h : hauteur Si on suppose que le rendement de l’accouplement est égal à 1, alors la puissance mécanique du moteur (utile) est égale à la puissance absorbée par la pompe. MEMOIRE LP/UL-ENSI 51 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE Connaissant le rendement du moteur, la puissance électrique absorbée par le moteur est relation (3.4): Pa = 𝑃𝑢 (3.4) 𝐻𝑚 Pu : puissance utile Hm : hauteur manométrique Pour tenir compte de certains imprévus d’exploitation, il serait prudent de majorer la puissance absorbée par la pompe des quantités suivantes [34] : 30 % pour une puissance absorbée inférieure à 4 kW ; 20 % pour une puissance absorbée comprise entre 4 et 20 kW ; 10 % pour une puissance absorbée supérieure à 20 kW. Dans notre étude la puissance mécanique de la pompe est 75 000 W, on applique alors une marge de sécurité de 30 %. Ce qui veut dire que la puissance mécanique du moteur doit être supérieure ou égale à 97 500 W. Dans notre cas on a choisi un moteur synchrone à aimant permanent dont la puissance mécanique est 75 kW. [17] 3.9.2. Dimensionnement des modules photovoltaïques Le dimensionnement des modules photovoltaïques comprend cinq (5) étapes comme suit : détermination de l’ensoleillement du site ; calcul de la puissance crête totale ; calcul de la puissance crête du module photovoltaïque ; calcul du nombre de module photovoltaïque ; choix de la tension du module photovoltaïque. MEMOIRE LP/UL-ENSI 52 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE 3.9.3. Détermination de l’ensoleillement du site L’ensoleillement du site dépend de la situation géographique du site et peut être fournit par des services météorologiques ; parfois par l’aviation de L’ensoleillement est exprimé en kilowattheure par mètre carré par jour (kWh/m2/j) et correspond à l’énergie totale qui est reçue sur le plan perpendiculaire aux rayons du soleil et par jour. Au Togo, l’ensoleillement moyen est de l’ordre de 5 kWh/m2/j. [14] 3.9.3.1. Calcul de la puissance crête totale La puissance crête totale est la puissance que fournira l’ensemble des panneaux solaires. Elle s’exprime en Watt crête (Wc) et est donné par la relation (3.5). (3.5) PCT= 901 296×1 4,4 (1−20%) = 256 050 Wc Où : PCT : la puissance crête totale des modules (Wc) ; EJT : Est l’énergie journalière totale consommée (Wh/jour) ; E : est l’ensoleillement du lieu en kWh/m2 /jour ; on prend l’ensoleillement correspondant au rayonnement de la localité au mois le moins ensoleillé (mois d’Août), ceci est = 4,4 / m2/j. Eref : l’énergie de référence (égale à 1000 W/ m2) ; (f = 20 %). MEMOIRE LP/UL-ENSI 53 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE 3.9.3.2. Calcul du nombre de module photovoltaïque Figure 3.1 : Image de module photovoltaïque Il est déterminé par la relation (3.6) : (3.6) NP = 256050 350 = 732 Où : NP : Nombre de modules photovoltaïques ; PCT : la puissance crête totale des modules(WC) ; PC : puissance crête du panneau choisi (WC). Le panneau solaire photovoltaïque au silicium monocristallin choisi est de 350 Wc 3.9.3.3. Choix de la tension du module photovoltaïque La tension d’un module photovoltaïque est déterminée en fonction de la puissance crête du module. Les tensions standards sont : 12 V pour MEMOIRE LP/UL-ENSI ≤ 160 Wc ; 54 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE 24 V pour ≤ 5 kWc ; 48 V pour 5kWc. Dans notre travail nous avons choisi = 256 050 Wc qui est supérieure à 5kWc donc on choisit un module photovoltaïque de 48 V. 3.9.3.4. Dimensionnement de la batterie Les installations autonomes photovoltaïques nécessitent un dispositif de stockage d’énergie bien dimensionné dans le but d’assurer la continuité du service pendant les périodes sans soleil. Le dimensionnement de la batterie s’effectue en quarte (4) étapes comme suit : Choix de l’autonomie ; Choix de la tension de la batterie ; calcul de la capacité de la batterie ; ainsi que la détermination du nombre de batterie. 3.9.3.4.1. Choix de l’autonomie L’autonomie est le nombre de jours pendant lesquels les batteries initialement chargées peuvent assurer les besoins en électricité sans que les modules ne fonctionnent. Autrement dit, lorsque les modules ne produisent plus (nuit, mauvais temps). Au Togo l’autonomie est de 2 à 3 jours parce qu’il se trouve dans une zone avec une fréquence de l’ensoleillement assez élevé. Nous allons retenir 3 jours pour notre travail. 3.9.3.4.2. Choix de la tension de la batterie La tension de la batterie est relative à la tension du module. Le choix de la tension de la batterie se fera en fonction de la tension du module photovoltaïque donc la tension du module serait égale à celle de la batterie, car au cas où la tension de la batterie dépassera MEMOIRE LP/UL-ENSI 55 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE celle du module, elle essayera d’alimenter le module ce qui ne serait pas normal et cela entrainera le disfonctionnement du système. Donc étant donné que les modules ont une tension de 48V alors nous choisissons une tension de 48V pour la batterie. 3.9.4.3.3. Calcul de la capacité de la batterie La capacité de la batterie accumulateur est la quantité de d’électricité qu’un élément chargé peut fournir pendant la période de décharge, elle s’exprime en ampères-heures (Ah). Elle est en fonction du courant de décharge. Le courant de décharge est indiqué par le rapport C/n, C étant la capacité de l’accumulateur et n le nombre d’heures pendant lequel sont restituées les capacités. La capacité est déterminée par relation (3.7) : (3.7) CT= 901296×2 0.4×48 = 93885 Ah Où : est la capacité totale des batteries (Ah) ; est l’énergie journalière totale consommée (Wh/ jour) ; N : nombre de jours d’autonomies ; D : est la profondeur de décharge (20, 40, 60 %) ; : est la tension de la batterie (V). MEMOIRE LP/UL-ENSI 56 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE Figure 3.2: Image des batteries 3.9.4.4. Calcul du nombre de batterie Nous avons choisi une batterie ayant pour capacité nominale 93 885 Ah. Il est déterminé par la relation (3.8) : (3.8) NBAT = 93885 200 =470 Où : : Nombre de batteries ; : est la capacité totale des batteries (Ah) ; C : est la capacité nominale d’une batterie. MEMOIRE LP/UL-ENSI 57 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE Figure 3.3: Batteries solaire 3.9.4.4.1. Nombre de batteries en série Le nombre de batterie en série est déterminé par la relation (3.9): (3.9) =1 Où : : Nombre de batterie en série ; : Tension du champ PV ; : Tension nominale de la batterie choisie (V). MEMOIRE LP/UL-ENSI 58 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE 3.9.4.4.2. Nombre de branches de batteries en parallèle Le nombre de branches de batteries à monter en parallèle se détermine par la relation (3.10): (3.10) = 19 Où : : Nombre de branches batteries en parallèle ; : Nombre de batterie ; : nombre de batterie en série. 3.9.5. Dimensionnement du régulateur Le rôle d’un régulateur solaire est d’assurer et réguler la charge des batteries ; il optimise la puissance des panneaux et empêche les surcharges et les décharges profondes nuisibles à la bonne durée de vie des batteries. On trouve actuellement deux (2) types de régulateurs solaires : les régulateurs de charge et les régulateurs de charge /décharge. Dans notre travail nous allons utiliser le régulateur de charge /décharge car il est plus adapté à une installation photovoltaïque puisqu’il s’occupe de la charge, de la surcharge et de la décharge. Il permet d’éviter une décharge profonde en coupant l’alimentation de certains appareils électriques. MEMOIRE LP/UL-ENSI 59 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE Le choix du régulateur est fonction du courant maximal que délivre le champ PV. La normalisation de ce courant donne le courant d’entrée du régulateur. L’intensité du courant à la sortie du champ PV se détermine à l’aide de l’expression (3.11) : (3.11) IMAX= 350 48 × 732 = 5337.5 A Où : : Le courant du choix du régulateur (A) ; : Nombre de module photovoltaïques ; : La puissance crête du module (WC) ; : La tension aux bornes du champ PV. 3.9.5.1. Dimensionnement du convertisseur de courant Le dimensionnement des onduleurs tient compte de la puissance totale des récepteurs fonctionnant en courant alternatif. La tension d’entrée des onduleurs est égale à la tension de sortie des régulateurs et la tension de sortie des onduleurs est égale à la tension de fonctionnement des récepteurs à courant alternatif. Le choix du convertisseur (onduleur) est fonction des paramètres suivants : la tension d’entrée ; la tension de sortie ; MEMOIRE LP/UL-ENSI 60 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE la puissance nominale ; la puissance maximale ; et la forme de signal(ou onde). Figure 3.4: Différents types de régulateur de courant D’après l’AIEA (Agence Internationale de l’Energie Atomique), pour déterminer la puissance totale des récepteurs AC, il faut multiplier la puissance installée (en W) relative au site calculé par le coefficient 1,25. Ainsi, on tient compte du cosinus phi (Cos φ) des récepteurs de l’installation et du courant de démarrage associé à ces derniers. Dans notre travail nous avons choisi un onduleur de 1000 W avec un rendement de 97%. Avec la puissance de l’onduleur choisi et la puissance des récepteurs AC installée, on calcule le nombre d’onduleurs à installer à l’aide de l’expression (3.12): (3.12) Nond= 1,25×75108 0.97×4600 = 22 Où : : Nombre d’onduleurs ; : Puissance des récepteurs AC installés ; MEMOIRE LP/UL-ENSI 61 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE : Rendement de l’onduleur choisi (%) ; : Puissance de l’onduleur choisi (W). 3.9.5.2. Dimensionnement des câbles électriques Dans un système photovoltaïque ; il est nécessaire de limiter la longueur des liaisons entre le générateur photovoltaïque et les récepteurs. Cette distance n’excède jamais quelques mètres. En effet les systèmes solaires fonctionnent généralement sous faible tension (12 V, 24 V, 48 V) donc avec un courant assez élevé (P = UI si U est faible I est élevé). Le transport à distance de ce courant de plusieurs Ampères implique inévitablement des pertes en ligne importantes par échauffement (effet joule). Sachant que les pertes d’une installation photovoltaïque peuvent atteindre 20 % entre ce qui est produit par les modules et l’électricité que l’on consomme, il est important d’utiliser du matériel permettant de réduire ces pertes. En ce qui concerne les câbles, on essaye généralement de les limiter à 3%. Ces pertes sont proportionnelles pour chaque circuit de récepteur : au carré de l’intensité ; à la longueur des câbles électriques ; inversement à la section du câble. 3.9.5.3. Chute de tension et pertes joules dans les câbles Les chutes de tension sont observées le plus à la partie courant continu de l’installation ou les intensités sont les plus importantes. Elles sont souvent dues à la résistance des câbles ; ces pertes entrainent par conséquent une chute de tension. La batterie et les récepteurs ne sont plus correctement alimentés. La chute de tension occasionnée par les pertes en ligne s’établit, pour chaque circuit de récepteur, au moyen de l’expression (3.13) : ΔU = R I MEMOIRE LP/UL-ENSI (3.13) 62 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE Où : ΔU : chute de tension (V) ; R : résistance du câble ; I : intensité du courant traversant le câble (A). Où : R= 𝜌×𝑙 (3.14) 𝑆 Avec : ρ: résistivité linéaire du matériau constitutif du câble (16. 25. Ω.m pour le cuivre, Ω.m pour l’aluminium) ; l : longueur du câble (m) ; S : section du câble (mm2). Les pertes dans les câbles sont inévitables, mais il convient de les réduire au maximum afin de rester dans des choix de section acceptables. La chute de tension maximum qui est autorisée est de 5% de la tension de départ [1]. 3.9.6. Dimensionnement de la section des câbles Le dimensionnement consiste donc à déterminer les sections des câbles entrainant le moins de chute de tension possible. Il existe des tables comme le montre le tableau qui permettent de déterminer directement le couple section longueur acceptable pour un courant donné. ( voir le tableau 3.1 ) MEMOIRE LP/UL-ENSI 63 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE Tableau 3.1 : Choix de la section des câbles [1]. Section du conducteur en mm2 Intensité maximale en Ampère (A) Section minimale du Neutre en mm2 Section minimale de la terre en mm2 1,5 1,5 1,5 22 - 2,4 2,5 2,5 30 23 4 4 4 40 31 6 6 6 51 39 10 10 10 70 54 16 16 16 94 73 25 16 16 119 90 35 16 16 147 112 50 25 25 179 136 70 35 35 229 174 95 50 50 278 211 120 70 70 322 245 150 70 70 371 283 185 95 95 424 323 240 120 120 500 382 300 150 150 576 440 400 185 185 656 526 500 240 240 749 610 MEMOIRE LP/UL-ENSI 64 Cuivre Aluminium AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE 3.10. Maintenance d’un système solaire photovoltaïque. Après avoir fait l’étude de notre système solaire photovoltaïque, nous allons maintenant voir les procédés de maintenance nécessaires, car il est important d’entretenir le système après avoir installé. 3.10.1 Condition d’utilisation Les équipements sont en général fournis avec une fiche technique dans laquelle sont décrites les conditions d’utilisation de ceux-ci. Ces conditions d’utilisation sont régies conformément aux instructions : de mise en service des équipements, surtout en cas de pannes ; de conduite avec les équipements ; d’intervention cas de pannes. Les équipements de l’installation doivent être utilisés suivant cette méthodologie et respecter les différentes instructions décrites dans la fiche technique afin de réduire la fréquence et les gravités des pannes. 3.10.2. Prévention des défaillances Prévention des défaillances peut-être d’une manière organisées suivant deux aspects notamment : à partir des contacts statistiques ; à partir des contacts techniques, suite à une inspection technique. Ces constatations conduisent en effet à un entretien préventif des équipements. Pour maintenir les caractéristiques de fonctionnement des équipements, il est souhaitable d’effectuer des opérations d’entretien préventif périodique. Ces opérations d’entretien préventif seront effectuées par le personnel exploitant qualifié et outillé. MEMOIRE LP/UL-ENSI 65 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE 3.10.3. Entretien préventif L’idéal de l’entretien préventif périodique est de constituer des opérations à effectuer selon un rythme prévu par l’inspecteur. Cet entretien comprendra : une liste des opérations préventives à effectuer périodiquement ; les carnets ou dossier de préparation des opérations comportant : la nature de l’entretien, l’opération à effectuer et la date de l’entretien. Il n’est point besoin de faire les calculs, il est plutôt normal de déterminer les gammes préventives le plus vite possible, dès les appliquer scrupuleusement puis noter équipement par équipement des incidents ou des accidents qui demeurent afin d’en tirer sûrement et statiquement les conséquences. 3.11. Maintenance des modules solaires La maintenance des modules consistera à : nettoyer périodiquement les panneaux solaires au moyen des chiffons propres et humides ; resserrage éventuel des visseries ; étalage des buissons ou arbres pouvant faire de l’ombre sur les modules ; procéder aux mesures permettant de vérifier le bon fonctionnement des équipements du système ; mesurer les conditions de captation ; mesurer les performances des panneaux : tension, intensité avec multimètre ; arroser et régler la surface des panneaux ; vérifier la température des panneaux qui se mesure sur la face arrière de celui-ci avec une sonde. 3.11.1. Maintenance des batteries solaires La maintenance ses batteries d’accumulateurs consiste à : MEMOIRE LP/UL-ENSI 66 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE contrôler le niveau de la densité d’électrolyte ; mesurer la densité de l’électrolyse de chaque élément ; vérifier la tension d’enclenchement du chargeur des batteries ; nettoyer les boulons ; nettoyer les connexions d’accumulateurs ; administrer une charge d’égalisation à intensité constante de la capacité pendant 1 heure ou plus si nécessaire ; graisser les connexions ; contrôler l’état de charge à l’aide d’un pèse-acide ; remplacer les éléments faibles après contrôle de la densité. 3.11.2. Maintenance des onduleurs Pour faire la maintenance des onduleurs, nous aurons à vérifier : la commande de marche/arrêt ; la tension des batteries relevée, la tension d’utilisation quotidiennement ; les contacts et le fonctionnement du contacteur statique ; le redresseur charge triphasé ; le by-pass pour d’éventuelles opérations de maintenance. 3.11.3. Maintenance du câblage Du côté câblage, il convient de : vérifier l’étanchéité des boîtes de connexions et de jonction ; nettoyer des contacts en cas d’oxydation de cosse au niveau de la boite de connexion ; inspecter l’état du câblage entre les équipements de l’installation ; vérifier n’importe quelle coupure ou détérioration dans le câblage exposé ; inspecter les raccordements pour relever les signes de la corrosion. MEMOIRE LP/UL-ENSI 67 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE 3.12. Analyse et coût du projet Dans le cas de la mise en œuvre d’un projet photovoltaïque, proprement dit la réalisation d’un dimensionnement en panneau solaire d’un site isolé, une estimation économique succincte peut être alors menée, après avoir préalablement effectué l’étude de faisabilité et de viabilité d’un tel ensemble adapté aux zones rurales. Afin de valoriser nos résultats issus de l’étude effectuée sur le site de HEDZRANAWOE, il est indispensable de connaître certains coûts représentatifs de notre installation photovoltaïque. Dans notre travail nous allons estimer le coût de l’installation de la pompe du quartier. 3.12.1. Coût de l’installation photovoltaïque Les principaux coûts financiers en investissement qui sont liés à la réalisation et à l’installation d’une centrale photovoltaïque peuvent être décomposés selon certaines rubriques à savoir : coût relatif aux études de conception ; coût relatif aux équipements et matériels solaires (modules photovoltaïques, régulateur de charge et de décharge, onduleur, éléments de batterie, diverses fournitures,…) ; coût de l’installation du système sur site ; installation et mise en fonctionnement de la centrale. 3.12.1. Equipements et matériels solaires Les équipements solaires sont les principaux composants du système photovoltaïque étudié ; c’est à dire les modules photovoltaïques, les éléments d’accumulateurs électrochimiques, le système de régulation et de contrôle, les onduleurs, l’électro pompe et les diverses fournitures indispensables au montage et à l’installation de cette dernière (structures, câbles, boîtiers et d’autres accessoires, …). MEMOIRE LP/UL-ENSI 68 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE 3.12.2. Etude technique et réalisation Cette rubrique est relative à l’étude de conception du système photovoltaïque à mettre en place sur site. C’est à partir des conceptions énergétiques demandées (détermination du profil de consommation) et de la ressource énergétique disponible sur ce site, suivies préalablement de visites effectuées que cette étude est précisément entamée. A cet effet, les frais octroyés à cette rubrique sont estimés à 3 % du coût global pour les différents profils de consommations. 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 à l’installation de la centrale sur le site prévu. 3.12.3. Estimation du coût du pompage photovoltaïque. En fonction des études effectuées au niveau du dimensionnement du système de pompage photovoltaïque nous allons estimer le coût des panneaux solaires nécessaires pour notre site et ensuite évaluer le prix du convertisseur, de la pompe, de l’ensemble des tuyauteries et des panneaux pour le pompage de l’eau. Nous allons présenter le prix du système de pompage photovoltaïque du quartier dans le tableau (3.2) : MEMOIRE LP/UL-ENSI 69 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE Tableau 3.2 : Tableau de l’étude économique du projet. Prix unitaire Désignations Quantités (FCFA) Totale (FCFA) Panneaux solaire (350 WC) 732 140 000 102 480 000 22 750 000 16 500 000 450 160 000 72 000 000 50 45 000 2 250 000 70 17 850 1 249 500 3 1000 3000 - - Onduleur (4600W/230V/50Hz) Batteries (200Ah/48V) Régulateur (48V, 20A) Câbles électriques (100m) Lampes Main d’œuvre 15 450 600 Construction de la salle de commande + main d’œuvre 1 1 500 000 (1piece dallée) Prix total - - 210 083 100 Nous avons obtenu le prix des matériels sur les sites internet [15] [16] [24] et les sociétés de ventes de kit solaire à Lomé (PES Togo, énergie solaire). Nous avons les estimations des prix pour la réalisation de notre projet, le coût du projet s’élève donc 210 083 100 FCFA. MEMOIRE LP/UL-ENSI 70 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CHAPITRE 3 : ETUDE ET REDIMENSSIONEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE DU GROUPE ELECTROPOMPE 3.13. Conclusion Le dimensionnement photovoltaïque développé dans ce chapitre constitue le projet de mise en place du système d’alimentation d’évacuation d’eaux usée par pompage photovoltaïque et l’électrification de la salle de contrôle. Nous avons également présenté une analyse économique du système de pompage et d’électrification photovoltaïque de la retenue en tenant compte du coût relatif des composants du système, cette étude a enfin abouti à une estimation du coût des matériels de pompage et de l’électrification du quartier de notre projet. MEMOIRE LP/UL-ENSI 71 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CONCLUSION GENERALE CONCLUSION GENERALE MEMOIRE LP/UL-ENSI 72 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CONCLUSION GENERALE CONCLUSION GENERALE Notre projet a consisté à l’étude et conception d’un système photovoltaïque pour l’alimentation d’un groupe électropompe et l’électrification de la salle de commande de la retenue sise à Hédzranawoe ; ceci suite à des manquements liés au problème d’inondation et de délestage pendant les orages. L’utilisation de l’énergie solaire dans les sites isolés pour différentes applications tel que l’évacuation d’une retenue d’eau présente un intérêt très important ; cependant les générateurs photovoltaïques possèdent deux inconvénients majeurs qui sont un rendement faible et un coup élevé, cela se vérifie sur la caractéristique I-V sous l’influence de différentes températures. L’étude nous a montré que le meilleur rendement du panneau photovoltaïque est obtenu pendant les journées avec ciel dégagé. Les groupes électropompe apportent une solution intéressante pour la réalisation des systèmes d’évacuation de la retenue par un dimensionnement photovoltaïque. Ces groupes présentent plusieurs avantages par rapport aux pompes solaires ou à courant continu, à savoir une durée de vie élevée, un rendement élevé, une maintenance réduite. De plus l’évolution de l’électronique de puissance et la technologie des matériaux magnétiques permet d’élargir l’application de ces pompes , mais pour des raisons de qualités et de capacité , le cout est encore élevé. Avant d’aborder la problématique dimensionnement du système de pompage et d’électrification, nous avons tout d’abord étudié d’une façon générale l’énergie photovoltaïque ; ceci s’est avéré nécessaire pour acquérir une connaissance du comportement du Groupe photovoltaïque. Une fois, les différents étages d’adaptation validées, nous avons confronté les modèles de ces éléments avec la connexion directe entre un groupe photovoltaïque et le groupe électropompe qui représente le choix le plus simple et le moins coûteux. MEMOIRE LP/UL-ENSI 73 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI CONCLUSION GENERALE Notre étude a commencé par une présentation des généralités sur l’énergie solaire photovoltaïque , ainsi qu’un dimensionnement du générateur (nombre de modules) afin d’avoir un modèle complet de l’ensemble et de donner une optimisation de l’énergie disponible. Nous avons également fait le choix de la pompe tout en tenant compte du débit minimal et maximal que présente la retenue grâce à l’avantage qu’il présente. Notre groupe électropompe choisi (pompe d’assainissement submersible type ABS de type XFP 301M – CH2 PE750/6 ) a pour rôle de pomper au maximum 1 260m3/h (soit près de 350l/s et supérieur) avec une puissance de l’arbre 60,9 kW. Pour finir nous avons étudié le dimensionnement du système de pompage et de l’électrification de la salle de commande. La réalisation de ce projet sur le quartier de HEDZRANAWOE a été pour nous l’occasion d’explorer de nouveaux horizons en matière de l’énergie photovoltaïque. MEMOIRE LP/UL-ENSI 74 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE MEMOIRE LP/UL-ENSI 75 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE BIBLIOGRAPHIE [1] : AKAKPO kossivi koko, Etude de dimensionnement d’un générateur photovoltaïque pour l’alimentation du village de TODOME (Avé) en énergie Électrique. Mémoire de licence professionnelle, ENSI-UL/ Décembre2013 ; [2] : AZZEDINE KADDOURI, Etude d’une commande non-linéaire adaptative d’une machine synchrone à aimant permanent. Thèse doctorale, Université Laval 2000 ; [3] : BOUKMERS Djamil, Optimisation d’un système d’énergie photovoltaïque application aux pompages, mémoire de Master en Electrotechnique, Université Mentouri de ConstantinAlgérie, Novembre 2007 ; [4]: DAMIEN Grenier, Francis Labarique, Herve Buyse, Ernest montagne, Electromécanique convertisseur d’énergie et actionneur, Dunod 2001 ; [5] : DJOKOTO Kodjo Gabriel, Etude et Elaboration d’un logiciel de dimensionnement de l’alimentation en énergie solaire photovoltaïque. Mémoire de DUT/ IFTS-Lomé, Octobre 2014 ; [6] : ERICC Schiller, Pompage photovoltaïque (manuel de cours à l’ intention des Ingénieurs et techniciens) Québec 1998 ; [7] : KY Thierry S. Maurice, Dimensionnement pour pompage d’eau pour une irrigation Goute a goute, mémoire de DEA, Université de OUAGADOUGOU, 2005- 2006 ; [8] : MEHIMMEDETSI Bondjemâa, Application du formalisme Bond graph a une Chaine de conversion d’énergie photovoltaïque, mémoire de master en Electrotechnique, Université LIBANAISE – BRANCHE II, Liban, 8 Décembre 2013 ; [9] : TAREK Bouguerra, Optimisation d’un système photovoltaïque application en continu et en alternatif, mémoire de Master électrotechnique, Université de Mantouri de Constantin 1, juin 2014 ; [10] : TOTAL Energie : Module solaire pour application professionnelle, édition 06/2006 ; MEMOIRE LP/UL-ENSI 76 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE [11] : www.opg.com/ Learning zone système photovoltaïque, consulté le 19 avril 2017 ; [12] : www.arbor.énergie.fr, consulté le 06 mai 2017 ; [13] : www.aurore/energie.com/régulateur/ Tristar.60.MLI, consulté le 22 mai 2017. ; [14] : www.universite de wyoming.com consulte le 15septembre 2019 ; [15] : www. Station%20energie%20solaire%2010KW%20-%20NE.com ; [16] : www.solarkitprix.com; [17] : Adja Mame Ngoné BABOU, MEMOIRE POUR L’OBTENTION DU MASTER II, option : eau et assainissement, < étude d’avant-projet détaille de l’assainissement des eaux usées du quartier de guet ndar (Saint-Louis du Sénégal) ; [18] : www.totalenergie.fr ; [19] : Syndicat national des entrepreneurs, concepteurs et réalisateurs de stations de pompage guide technique 2010.pdf consulte en juin 2019 ; [20] : pompes-relevage-submersibles-à-roue ; [21] : A. Dupont « Hydraulique urbaine », Tome 2 Edition Eyrolles 1988 ; [22] : Y. Bakelli « Étude et dimensionnement d’un convertisseur statique pour la connexion d’un générateur photovoltaïque » mémoire de magister, Universite de Boumerdes 2005 ; [22] : J.Y. LE Chenadec, « Les machines synchrones : Technologies et différents modes d’alimentations des machines synchrones », Cours polycopiés, Lycée Louis ARMAND, Nogent sur Marne, 1997 ; [23] : M.F.Shraif« Optimisation et mesure de chaîne de conversion d’énergie photovoltaïque en énergie électrique ». Thèse de doctorat de l’université Paul Sabatier de Toulouse 2002 ; [24] : www.sysaidfaso.com. MEMOIRE LP/UL-ENSI 77 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ANNEXES ANNEXES MEMOIRE LP/UL-ENSI 78 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ANNEXES ANNEXES ANNEXE 1 : Voici quelques images de la retenue prise en septembre 2019 MEMOIRE LP/UL-ENSI 79 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ANNEXES MEMOIRE LP/UL-ENSI 80 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ANNEXES ANNEXE 1 : Un système de pompage solaire de l’eau est généralement composé des éléments suivants : Des panneaux solaires photovoltaïques pour capter l’énergie du soleil et la convertir en électricité ; Une unité de conditionnement de puissance, constituée d’un convertisseur permettant de faire varier la fréquence et la tension de sortie en fonction de la puissance disponible du générateur solaire ; Une pompe immergée ou montée en surface constituée d’un moteur électrique à courant alternatif ou continu ; Un câblage électrique, par lequel passe l’énergie du générateur au moteur, et les informations relatives aux contrôles de sécurité ; Une infrastructure hydraulique qui conduit l’eau de sa source (puits), jusqu’aux points de distribution. [Pompage de l’eau par le solaire photovoltaïque. Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH dans le cadre du projet «Solaire Citoyen»] MEMOIRE LP/UL-ENSI 81 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ANNEXES ANNEXE 2 : Electropompes submersibles pour eaux usées issues des séries 3000 avec roue C de type mono-canal ou avec roue D Vortex. Versions disponibles : type d’installation P & S Caractéristiques techniques Débit : jusqu’à 54m3/h Hauteur manométrique : jusqu’à 20,2 m Alimentation : triphasée et monophasée 50 et 60 Hz Puissance: de 0,75 à 2,4 kW Profondeur d'immersion maximale : 20 m Température du liquide pompé: jusqu’à +40°C Orifice de refoulement: DN50 Isolation : classe F Protection : IP 68 Longueur câble: 10 m Matériaux Corps de pompe : fonte Roue : polyamide (C3045-D3045), acier inoxydable AISI 304(C3057), fonte (D3057) Arbre : acier inoxydable Double garniture mécanique: côté moteur carbone/céramique, côté pompe SiC/SiC (C3045-D3045), céramique/carbure de tungstène (C3057-D3057) Joints:Nitrile (C3045-D3045), caoutchouc fluoré (C3057-D3057) Applications Relevage des eaux usées chargées usuelles des réseaux publics d’assainissement Relevage des eaux usées en provenance de résidences individuelles et collectives Pompage des eaux brutes et pluviales MEMOIRE LP/UL-ENSI 82 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ANNEXES Sur demande - Version ATEX, - Kits d’installation CP ou DP et barres de guidage en accessoires, - Boîtier de démarrage, coffret de commande et régulateur de niveau en accessoires, - Autres modèles des séries C3000 et D3000. Avantages Une conception roue Vortex Importante section de passage limitant le risque de colmatage et de blocage Usure de la roue limitée garantissant des performances hydrauliques fiables et constantes dans le temps Maintenance limitée et facile grâce à l’absence de réglage Pompes de la gamme 3000 avec hydraulique et moteur conçus pour des applications exigeantes telles que des installations semi-collectives avec des taux de service importants. MEMOIRE LP/UL-ENSI 83 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ANNEXES ANNEXE 3 : Electropompes submersibles en acier inoxydable avec hydraulique D roue à passage intégral Vortex pour fluides corrosifs (pH 2 à 10). Versions disponibles : D8000.280 version standard type d’installation P & S. Caractéristiques techniques Débit : jusqu’à 260 m3/h Hauteur manométrique : jusqu’à 36,4 m Alimentation : triphasée 50 et 60 Hz Puissance : 1,5 à 13 kW Profondeur d'immersion maximale : 20 m Température du liquide pompé : jusqu’à +40°C Orifice de refoulement : de DN50 à DN100 Isolation : classe H Protection : IP 68 Longueur câble : 10 m Matériaux Enveloppe moteur, corps de pompe, roue et arbre : acier inoxydable moulé AISI 316L Double garniture mécanique: côté moteur carbone/céramique côté pompe SiC/SiC Joints : Viton® Applications Relevage des eaux usées chargées usuelles des réseaux publics d’assainissement ou d’industries MEMOIRE LP/UL-ENSI 84 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ANNEXES Pompage des eaux brutes et pluviales Pompage d'eaux résiduaires corrosives Relevage d’effluents agricoles agressifs Sur demande - Sonde de détection d’humidité, - Flexible inox de protection des câbles, - Accessoires d’installation, - Version liquide chaud. Avantages Roue vortex à large section de passage pour particules de taille importante Usure réduite pour pomper des fluides chargés en particules abrasives Faible coût de maintenance Fiable et économique MEMOIRE LP/UL-ENSI 85 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ANNEXES ANNEXE 4 : MEMOIRE LP/UL-ENSI 86 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ANNEXES ANNEXE 5 : capteur de niveau MEMOIRE LP/UL-ENSI 87 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI ANNEXES ANNEXE 6 : Diagramme de pompage MEMOIRE LP/UL-ENSI 88 AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI Licence professionnelle Conducteur des travaux En Génie Electrique ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’INGENIEURS (ENSI) REDIMENSIONNEMENT ET INSTALLATION D’UN SYSTEME DE POMPAGE PHOTOVOLTAIQUE D’EVACUATION DU BASSIN DE TOGO 2000 VERS LE FLEUVE ZIO MEMOIRE DE FIN D’ETUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLOME DE LICENCE PROFESSIONNELLE DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE Présenté et soutenu par : AKARAWATOU Abdoul-baqui Résumé Structuré en (3) chapitres, le présent mémoire est une démarche qui a visé à mettre en place un système d’énergie photovoltaïque pour l’alimentation d’un groupe électropompe et l’électrification de la salle de commande de la retenue sise à HEDZRANAWOE. Au premier chapitre nous avons présenté les généralités sur les systèmes photovoltaïques. Nous avons également fait le choix de la pompe tout en tenant compte du débit minimal et maximal que présente la retenue grâce à l’avantage qu’il présente dans le deuxième chapitre. Dans le troisième chapitre nous nous sommes attelés à dimensionner le système (nombre de modules) afin d’avoir un modèle complet de l’ensemble et de donner une optimisation de l’énergie disponible ainsi que l’estimation du coût de notre projet. Le coût de notre projet s’élève à un montant total de 210 083 100 FCFA. Ce travail abattu ne doit pas être considéré comme une fin en soi, mais un moyen nous permettant de prendre conscience du fait que les énergies renouvelables constituent la solution aux éventuels changements climatiques qui menacent les êtres vivants. ©décembre 2019 MEMOIRE LP/UL-ENSI AKARAWATOU ABDOUL-BAQUI
