Résumés
Résumé
L'un des plus urgents problèmes auquel ont à faire face plusieurs pays en voie de développement est l'accès à l'eau potable. La plus grande partie de la population touchée par ce problème se retrouve en milieu rural, éloignée des grands réseaux de distribution d'électricité. Pour tenter de résoudre cette crise, l'introduction de systèmes de pompage photovoltaïques (PV), dans le cadre de programmes de pré-électrification rurale, offre une solution attrayante pour satisfaire les besoins en eau, en terme d'autonomie, de fiabilité et de performance.
Un système de pompage photovoltaïque comprend un champ de modules PV qui transforme l'énergie solaire en électricité. Un onduleur (aussi appelé convertisseur) transforme ensuite le courant continu (CC) généré par le champ en courant alternatif (CA), ce dernier permettant d'alimenter un groupe moto-pompe (GMP) qui peut être immergé - dans un puits ou un forage - ou de surface (sur une rivière). II existe aussi des GMP à courant continu. Au lieu de stocker les surplus d'énergie produite dans de dispendieux accumulateurs (batteries), ce sont les surplus d'eau pompée que l'on emmagasine dans un réservoir. Ce système, dit « au fil du soleil », a obtenu d'excellentes performances en conditions réelles d'opération. Cependant, avec les méthodes de conception actuelles, la taille du réservoir est souvent grossièrement estimée.
Dans le cas d'un réservoir trop petit, il en résulte une insatisfaction des usagers lorsque des débordements de réservoir se produisent. Ce gaspillaged'eau fait subir à la population des privations en ce qui concerne la consommation personnelle et affecte la rentabilité de l'opération quand les excédents d'eau sont habituellement vendus ou destinés à l'irrigation. Lorsque le réservoir est sur-dimensionné, les villageois ont alors à faire face à des coûts de construction trop élevés.
La démarche entreprise dans cet article a pour but d'offrir une méthode de conception du réservoir qui ne se base pas uniquement sur le jugement et/ou les expériences passées.
L'analyse du comportement des différentes composantes d'un système de pompage solaire a permis de mettre au point des modèles informatiques qui ont ensuite été validés grâce à des données obtenues sur le terrain au Sénégal. Le logiciel développé dans ce travail a pour but d'offrir une grande flexibilité pour la simulation de différents types d'équipement dans divers milieux d'opération. La qualité des résultats dépend étroitement de la précision des paramètres décrivant l'équipement et des données météorologiques.
Grâce au logiciel, on pourra prédire le fonctionnement de nouvelles installations et assurer le suivi des systèmes déjà en place. La personne qui doit concevoir le système PV, de concert avec la communauté villageoise, sera capable de déterminer la taille optimale du réservoir (et peut-être valider les résultats obtenus avec les règles empiriques) permettant ainsi de mieux évaluer les coûts et les risques de pénurie qui sont liés à l'exploitation d'un système de pompage PV.
Mots-clés:
- Approvisionnement en eau pour les pays en voie de développement,
- pompage solaire,
- réservoir
Abstract
Access to safe water supply is one of the must urgent problems in many developing countries. Most populations affected by this problem are in rural areas, where electricity distribution networks are not yet installed. In order to alleviate this crisis, the introduction of photovoltaic (PV) pumping systems provides an attractive solution to satisfy water needs, in terms of autonomy, reliability and performance.
A solar pumping system consists of an array of PV modules that transform solar energy into electricity. An inverter converts the direct current (DC) generated by the array to alternating current (AC), that can then be used by a motor-pump unit, either submerged (in a borehole or a well) or an a river surface. DC motor-pump units can also be used. Instead of charging expansive batteries with the excess energy generated, the water is pumped and stored in a reservoir. This type of system yields excellent performances in real-time operating conditions. The site of the tank is, however, often roughly estimated in conventional design procedures.
Consequently, problems such as the heavy financial burden of an over-sized tank or, on the contrary, a waste of water resources due to spillage in the case of a too-small tank are, unfortunately, quite common. These problems lead to dissatislaction among users when they have to deal with periods of personal water shortages and, in situations where the water is sold or used for irrigation, economic losses.
The process introduced in this paper provides a design tool for sizing the water tank that goes further than mere « guestimates ».Analysis of the behaviour of the different components of a solar system was incorporated into computerized models, which were then validated with data gathered during field studies carried out in Senegal. The resulting software gives the designer flexibility to simulate different types of equipment under various operating conditions. The quality of the results depends closely an the accuracy of the parameters describing the equipment as well as on the reliability of the meteorological data.
Different models are used in the software. The hourly climatic conditions (solar radiation and temperature) are simulated using the normal distribution. The model used to find the current-voltage (I-V) characteristics of the solar array has been developed by the Jet Propulsion Laboratory. The motor and centrifugal pump are modelled with a third order equation often used in practice. Finally, the optimal tank size is found with the volumetric method proposed by Al-Layla.
From the climatic data the software enables the designer to study a typical day for a selected period of time, usually during the month with the lowest solar radiation. From the climatic data, the PV array output power for every hour of the day, the pumping flow-rate and finally the amount of water in the tank can be determined. Five scenarios of available sunshine have been calculated, allowing the designer to evaluate low-risk situations (low sunshine expected, thus larger equipment needed) and high-risk situations (higher sunshine, requiring smaller equipment).
The software permits the prediction of performance for new systems as well as the diagnosis of existing ones. The system designer, in consultation with users, can then find the optimal size of the water tank (and possibly confirm the results obtained from the rule-of-thumb estimates) and better assess, with the help of a decision-making chart, the cost of a system and the risks of water shortages.
Keywords:
- Developing countries water supply,
- storage reservoir,
- solar water pumping