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POMPAGE PHOTOVOLTAÏQUE Composition : • Un dossier TECHNIQUE (Pages 1/7 à 4/7) •

POMPAGE PHOTOVOLTAÏQUE Composition : • Un dossier TECHNIQUE (Pages 1/7 à 4/7) • Un dossier GUIDE POUR LA PRESENTATION ET COMMENTAIRE DES RESULTATS (Pages 5/7 à 7/7) Page 1 sur 7 Pompage photovoltaïque 1. PRESENTATION DU SUPPORT 1.1. INTRODUCTION L’utilisation de ressources énergétiques locales et leur transformation sous forme électrique autorise la mise en place aisée du pompage électrique. C’est très souvent une ressource renouvelable qui est exploitée comme celle fournie par le soleil. Les contraintes techniques (mise en service, maintenance) et économiques (investissement initial, coût d’exploitation) incitent donc à utiliser des systèmes de pompage entièrement photovoltaïques. Cependant, l’énergie solaire étant difficile à capter en quantité importante, il y a tout intérêt à ce que le système soit, dans son ensemble, d’une grande efficacité énergétique. L’énergie solaire luminescente (par opposition à l’énergie solaire calorifique) est ainsi transformée en énergie électrique puis en énergie mécanique et enfin en énergie hydraulique. Pour réaliser ces trois transformations d’énergie successives, il est nécessaire d’utiliser trois convertisseurs de technologies différentes - des cellules photovoltaïques, un moteur électrique, une pompe - éléments centraux de l’installation de pompage au fil du soleil. L’entreprise allemande Lorentz© conçoit et assemble ce type de constituants pour des installations de pompage utilisées dans le monde entier. 1.2. EXPRESSION DU BESOIN L’étude développée ici traite le cas de l’alimentation en eau potable d’un troupeau d’environ 500 têtes de bétail consommant chacune 40 litres par jour. Ce troupeau occupe, en période estivale uniquement, des espaces isolés dans les environs de Perth, en Australie. Le système de pompage doit pouvoir remonter l’eau sur plusieurs dizaines de mètres. L’eau pompée remplit alors un réservoir d’une capacité correspondant à cinq jours de consommation. Ce réservoir permet ainsi d’abreuver le bétail même si le système de pompage n’est pas en fonctionnement (nuit, ciel couvert, mauvais temps…). Il autorise également le pompage dès que l’ensoleillement le permet (d’où l’appellation de "pompage photovoltaïque au fil du soleil"). On préfère donc ici stocker le produit du pompage plutôt que de stocker l’énergie électrique nécessaire au pompage dans des accumulateurs électrochimiques au rendement médiocre. L’utilisation estivale correspond bien au besoin puisque c’est pendant la saison la plus ensoleillée que les bêtes boivent le plus. Afin d’optimiser l’utilisation du potentiel d’énergie solaire du site, il sera ajouté un système de suivi automatique du soleil par les panneaux (d’où l’appellation de "pompage photovoltaïque au fil du soleil avec suivi"). On se propose dans cette étude de vérifier que les solutions technologiques employées dans cette installation de pompage concourent de façon significative à l’optimisation de son efficacité énergétique et ce sans la complexifier inutilement. On étudiera donc plus particulièrement : - l’utilisation de matériels au rendement élevé - le positionnement des panneaux - l’utilisation d’un module de recherche du point de fonctionnement à puissance maximale (MPPT) Chaque partie peut-être traitée indépendamment par le candidat. Depth of Well Tank Height Well to Basin Cable Length Trans. Pipe Diameter Riser Pipe Diameter Well Diameter Trans. Pipeline Length Static Level Drawdown Pump Intake Depth Réservoir de stockage de capacité 100m3 Champ photovoltaïque (panneaux solaires) Moto-pompe immergée Nappe d’eau Sol Puits Contrôleur de la moto-pompe Page 2 sur 7 2. STRUCTURE ET FONCTION DE L’INSTALLATION On propose ci-dessous la description structurelle de l’installation ¨ Question 21 : Indiquer quel élément technologique répond à la fonction "Convertir l’énergie mécanique de rotation en énergie hydraulique". ¨ Question 22 : Indiquer quelle est la fonction principale réalisée par les "Panneaux solaires" et quelle conversion ils réalisent. 3. ETUDE DE L’INFLUENCE DE MATERIELS DE POMPAGE AU RENDEMENT ELEVE Les pompes, moteurs et contrôleurs commercialisés par Lorentz© sont des matériels au rendement élevé, donc adaptés au pompage photovoltaïque puisque la ressource énergétique est difficile à capter en quantité importante. L’objectif de cette étude est de déterminer l’énergie moyenne que doivent fournir les panneaux. Détermination de la quantité d’énergie journalière nécessaire et sélection des constituants ¨ Question 31 : A partir du besoin, calculer le débit volumique journalier moyen Q (m3/j) nécessaire en période estivale afin d’abreuver toutes les bêtes sachant que 1l = 1dm3. Dans une installation de pompage, la différence de pression (exprimée en mètres de colonne d’eau) entre les orifices d’aspiration (au niveau de la pompe) et de refoulement (au niveau du réservoir) s’appelle la hauteur manométrique totale HMT (m). Ici cette HMT vaut 71,4 m. Choix de la moto-pompe électrique ¨ Question 32 : Effectuer le choix de la pompe à l’aide de la table de dimensionnement du constructeur Lorentz© donnée sur le DT1. Préciser sa référence sur le schéma bloc du DR2. ¨ Question 33 : Toujours à partir de DT1 indiquer sur le schéma bloc du DR2 les rendements maximaux ηmax de la "Pompe" et de l’ensemble "Contrôleur-Moteur". Ces rendements correspondent à un fonctionnement supposé au point nominal. Calcul de l’énergie moyenne nécessaire ¨ Question 34 : Calculer l’énergie hydraulique équivalente nécessaire à l’élévation de cette quantité d’eau sur cette hauteur pendant une journée et l’indiquer sur le schéma bloc du DR1. Pour cela on donne l’expression suivante : Ehydr(W.h) = [(g . σ) / 3600] x Q x HMT avec : g : constante de la gravité = 9,81m²/s, Q : débit volumique journalier = 20 m3 /jour, σ : masse volumique de l’eau = 1000kg/m3. Le dimensionnement d’un système se fait en tenant compte des rendements moyens des constituants car le système de pompage ne fonctionne pas constamment au point nominal. On considère ηmoy = 0,83 x ηmax. ¨ Question 35 : Calculer l’énergie électrique moyenne Eelec_moy(W.h) absorbée par le système de pompage en tenant compte du rendement moyen de l’ensemble {contrôleur + moteur + pompe} et l’indiquer sur le schéma bloc du DR2. ¨ Question 36 : Conclure sur l’influence du rendement des constituants sur l’énergie que devront fournir les panneaux. Informations « système », « pompe en fonctionnement », « vitesse de fonctionnement », « surcharge pompe », « source basse », « réservoir plein ». Eau dans le réservoir CHAINE d’INFORMATION ACQUERIR TRAITER COMMUNIQUER Diodes électro - luminescentes, Interface de commande, Ordre manuel de fonctionnement CHAINE d’ENERGIE ALIMENTER n panneaux solaires photovoltaïques CONVERTIR Moteur synchrone triphasé à aimants permanents et sans balais, Pompe volumétrique immergée à rotor hélicoïdal. Carte de puissance du contrôleur PS1200 TRANSMETTRE Tuyaux d’eau Ensoleillement variable Eau dans la nappe Signaux de commande MLI Relever l’eau Courant et tension panneaux Courant moteur Niveau de la nappe Niveau dans le réservoir Carte de commande du contrôleur PS1200 Capteurs courant, niveaux nappe et réservoir, BP marche-arrêt, Potentiomètre vit. max. Page 3 sur 7 4. ETUDE DE L’INFLUENCE DU POSITIONNEMENT DES PANNEAUX) L’énergie électrique moyenne Eelec_moy(W.h) absorbée par le système de pompage doit être fournie par un champ photovoltaïque constitué de n panneaux. Ce nombre n dépend de l’ensoleillement sur le site ainsi que du rendement des panneaux. Il est nécessaire de minimiser n pour réduire le coût d’investissement de l’installation. Pour cela on agit sur l’inclinaison du champ par rapport au sol (axe nord-sud) et sur son orientation selon la trajectoire du soleil (axe est- ouest). Estimation du gain obtenu grâce au positionnement des panneaux Le modèle de panneaux retenu ici est "Isofoton© I-150 InDach". La puissance crête Pc d’un panneau est de 150Wc (Watt crête). Cela correspond à la puissance qu’il fournit lorsqu’il est soumis aux conditions normalisées de fonctionnement. ¨ Question 41 : Calculer dans les cas 2 et 3 de rayonnements et d’orientations présentés dans le DR1, le nombre de panneaux n à mettre en œuvre dans le champ photovoltaïque. Remplir pour cela les lignes correspondantes du DR1. ¨ Question 42 : Valider ou non les prévisions du constructeur qui promet, en période d’ensoleillement maximal, jusqu’à 40-50% d‘eau en plus (soit 40-50% d’énergie en plus) avec l’utilisation d’un suiveur est-ouest de la trajectoire du soleil par rapport au cas 1. ¨ Question 43 : Indiquer l’influence du positionnement des panneaux par rapport au soleil sur le nombre n de ces panneaux. 5. ETUDE DE L’INFLUENCE DE L’UTILISATION D’UN MODULE DE RECHERCHE DU POINT DE FONCTIONNEMENT A PUISSANCE MAXIMALE (MPPT) Dans cette etude on se propose d’analyser par quel moyen le contrôleur règle de façon optimale la puissance transmise à la pompe et donc la quantité d’eau pompée. Dans les anciens modèles de pompe immergée, les moteurs étaient de technologie à courant continu avec balais. L’association du point de vue électrique de ce moteur et des panneaux était assez facile à faire. ¨ Question 51 : Indiquer les raisons qui ont poussé le constructeur à remplacer le moteur courant continu avec balais par un moteur synchrone à aimant permanent sachant que l’ensemble des éléments de cette nouvelle pompe baigne maintenant dans l’eau du puits qui sert, par ailleurs, de fluide lubrifiant et caloporteur. L’utilisation d’un moteur synchrone ne permet plus une connexion directe aux panneaux, d’où la présence au sein du contrôleur : - d’un hacheur qui assure une conversion continu/continu de façon à extraire à tout instant du champ PV la puissance maximale Pmax que celui-ci peut produire et à la fournir à l’entrée de l’onduleur, donc au moteur, uploads/Management/ td-pompage.pdf