Connaissez-vous la pompe à eau solaire ?

1. Définition et composition

1.1 Définition de base

Le système de pompage d'eau solaire (SWPS) est un dispositif qui convertit l'énergie solaire en énergie électrique pour faire fonctionner une pompe à eau afin de pomper l'eau sans dépendre des réseaux électriques traditionnels ou des combustibles fossiles.

1.2 Composition du système

Panneau solaire

Types : silicium monocristallin (rendement 18%-22%), silicium polycristallin (15%-18%), film mince (10%-13%).

Adaptation de puissance : conçue en fonction de la puissance de la pompe à eau et des conditions d'ensoleillement. Par exemple, une pompe à eau de 1 kW doit être associée à un panneau photovoltaïque de 1,5 à 2 kW (en tenant compte des pertes).

Structure de support : fixe/suivante (mono-axe/double-axe), cette dernière augmente la production d'énergie de 10 à 30 %.

Pompe à eau

Pompes à courant continu :

Pompe submersible (pour puits profonds) : matériau résistant à la corrosion, profondeur de travail jusqu'à 200 mètres.

Pompe centrifuge (eau de surface) : faible hauteur manométrique (<50 mètres), grand débit (5-100m³/h).

Pompe AC : nécessite un onduleur (tel qu'un onduleur sinusoïdal), adapté aux scénarios de haute puissance (> 5 kW).

Contrôleur

Fonction : contrôleur MPPT (suivi du point de puissance maximale) (amélioration de l'efficacité de 20 à 30 %), protection contre les surtensions/sous-tensions, démarrage progressif.

Modules supplémentaires : capteur de niveau d'eau (pour éviter le pompage à sec), surveillance à distance Bluetooth/WiFi.

Système de stockage d'énergie (en option)

Type de batterie : batterie plomb-acide (faible coût), batterie lithium (longue durée de vie, efficacité de charge et de décharge > 95%).

Calcul de capacité : Pour répondre aux besoins de 1 à 3 jours de pluie par exemple, une batterie de 10 kWh (profondeur de décharge de 50 %) est nécessaire si la consommation électrique journalière est de 5 kWh.

Équipement auxiliaire

Filtre : évitez le colmatage par les sédiments, comme un filtre à mailles en acier inoxydable (nombre de mailles ≥ 80).

Tubes : PVC (faible coût), PEHD (résistant aux UV, durée de vie de 20 ans).

2. Principe de fonctionnement et processus

2.1 Processus de conversion d'énergie

Énergie lumineuse → Puissance CC : les panneaux photovoltaïques génèrent des paires électron-trou via des jonctions PN et produisent une tension CC (par exemple 36 V, 48 V).

Régulation de puissance : Le contrôleur MPPT ajuste dynamiquement la tension et le courant pour maximiser la puissance de sortie du panneau photovoltaïque.

Entraînement de la pompe à eau :

Moteur à courant continu : alimenté directement par des panneaux photovoltaïques, rendement > 90%.

Moteur à courant alternatif : l'onduleur convertit le courant continu en courant alternatif (par exemple 220 V/380 V) avec une efficacité de 85 à 92 %.

2.2 Mode de fonctionnement du système

Entraînement direct : pas de stockage d'énergie, fonctionne lorsque le soleil brille, s'arrête lorsqu'il fait nuageux (adapté aux besoins non continus comme l'irrigation).

Tampon de stockage d'énergie : les batteries atténuent les fluctuations de puissance et permettent une alimentation en eau 24 heures sur 24 (adapté à un usage domestique).

3. Classification

Par type actuel

Selon la structure de la pompe

Pompes submersibles :

Pompe submersible pour puits profond : hauteur de chute de 50 à 200 mètres, boîtier en acier inoxydable, câble étanche IP68.

Pompe submersible pour puits peu profonds : hauteur < 50 mètres, débit 1-10 m³/h, adaptée aux rivières et aux étangs.

Pompe centrifuge:

Auto-amorçant : évacue automatiquement l'air, adapté au pompage intermittent des eaux de surface.

Pompe centrifuge multicellulaire : haute hauteur (100-500 mètres), utilisée pour le transport de l'eau dans les zones montagneuses.

Par taille de système

Petit système (<1kW) : usage domestique, irrigation petit potager, apport d'eau quotidien 1-5m³.

Système de taille moyenne (1-10kW) : irrigation agricole, approvisionnement en eau centralisé du village, approvisionnement en eau quotidien de 10 à 100 m³.

Grand système (>10kW) : végétalisation du désert, alimentation en eau industrielle, alimentation en eau quotidienne >200m³.

4. Scénarios et cas d'application

4.1 Scénarios typiques

Irrigation agricole :

Cas : Un système de 5 kW pompe 50 m³ d’eau par jour dans une ferme du Rajasthan, en Inde, pour irriguer 10 hectares de cultures résistantes à la sécheresse.

Points techniques : Le système d'irrigation goutte à goutte est équipé d'un arroseur à pression compensée, permettant d'économiser 30% d'eau.

Alimentation en eau domestique :

Cas : En Afrique subsaharienne, un système de 300 W + une batterie de 2 kWh peuvent répondre aux besoins quotidiens en eau d’une famille de cinq personnes à hauteur de 200 L.

Points techniques : Equipé d'un module de stérilisation UV pour assurer la sécurité de l'eau potable.

4.2 Scénarios spéciaux

Zones de haute altitude : des panneaux photovoltaïques résistants aux basses températures (fonctionnement à -40℃) sont nécessaires et le niveau d'isolation du moteur de la pompe à eau est de niveau H.

Dessalinisation de l'eau de mer : Avec une membrane d'osmose inverse (RO), une puissance du système > 10 kW, le coût de production de l'eau est d'environ 0,5 à 1 USD/m³.

5. Sélection et conception de la technologie

5.1 Calcul des paramètres clés

Ascenseur (H) :

Formule : H = hauteur verticale + perte de charge du pipeline (tous les 10 mètres de tuyau horizontal ≈ 1 mètre de hauteur) + pression de sortie requise.

Exemple : Profondeur du puits 30 mètres, conduite horizontale 100 mètres (perte de charge 10 mètres), hauteur totale H = 30 + 10 = 40 mètres.

Débit (Q) :

Formule : Q = demande journalière en eau (m³) / heures d'ensoleillement effectives (h).

Exemple : 20 m³ d'eau sont nécessaires quotidiennement et il y a 5 heures d'ensoleillement, alors Q=4 m³/h.

Puissance photovoltaïque (P) :

Formule : P = (Q × H × 0,163) / (heures d’ensoleillement maximal × efficacité du système (0,4-0,6)).

Exemple : Q=4m³/h, H=40 mètres, 5 heures d’ensoleillement, efficacité 0,5 → P≈ (4×40×0,163)/(5×0,5)=10,4kW.

5.2 Exemple de configuration

Exigences : Irrigation de 5 mu de verger, besoin en eau quotidien 15m³, hauteur de refoulement 30 mètres, ensoleillement 4 heures.

plan:

Pompe à eau : pompe submersible 1,5 kW DC (Q=3,75m³/h, H=30m).

Panneaux photovoltaïques : réseau monocristallin de 3 kW (panneaux 6×500 W).

Contrôleur : MPPT 48V/30A.

Stockage d'énergie : Pas besoin de piles (l'eau est pompée directement dans un bassin en hauteur pendant la journée).

6. Installation et maintenance

Détails d'installation

Angle d'inclinaison du panneau photovoltaïque :

Fixe : Latitude ±10° (comme Pékin 40°N, inclinaison 30°-50°).

Ajustement saisonnier : +15° en hiver, -15° en été.

Disposition du pipeline :

Évitez les coudes à angle droit et utilisez des coudes à 45° pour réduire les pertes par frottement.

Les tuyaux de surface doivent être résistants aux UV (tuyaux en PEHD) ou enterrés à une profondeur de > 0,5 m pour éviter le gel.