TECHNOLOGIES EUROPENNESDU POMPAGE SOLAIRE PHOTOVOLTAQUE accs leau potable irrigation matrise respect de lenvironnement rduction de la pauvret

SOMMAIREINTRODUCTION 2

1. LE POMPAGE SOLAIRE 31.1 HISTORIQUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31.2 PRINCIPES GNRAUX DU POMPAGE SOLAIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31.3 LES DEUX CATGORIES DE POMPES SOLAIRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

2. LES POMPES SOLAIRES DOMESTIQUES 52.1 CONSTRUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

Moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5Hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

2.2 FONCTIONNEMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62.3 TYPES DINSTALLATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62.4 PERFORMANCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

3. LES POMPES SOLAIRES VILLAGEOISES 73.1 VOLUTION DE LOFFRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73.2 POMPES CENTRIFUGES IMMERGES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

Pompe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8Moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8Onduleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9Rendement du systme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9Tension de fonctionnement et contraintes associes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9Performances des gammes proposes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

3.3 POMPES VOLUMTRIQUES IMMERGES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11Hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11Moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13lectronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13Rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13Performances des gammes proposes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

4. PRIX DES SYSTMES 134.1 LES LMENTS DU PRIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134.2 PRIX AU WATT-CRTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134.3 PRIX PAR LITRE DEAU POMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

5. CONCLUSION 15

Annexe 1. RAPPEL DE NOTIONS DHYDRAULIQUE ET DE POMPAGE 161 DFINITIONS ET UNITS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

nergie potentielle et pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16nergie cintique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16nergie dun liquide en mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16Pertes de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16Hauteur manomtrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17Courbe rseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17Limite daspiration des pompes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

2 POMPES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18Pompes volumtriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18Pompes centrifuges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19Rendement et vulnrabilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

Annexe 2. LISTE DE FOURNISSEURS 22

1

2INTRODUCTION

Fonctionnant au fil du soleil, le pompage est sans doute lune des plus pertinentes utilisa-tions de lnergie solaire photovoltaque. Lvolution progressive, depuis 20 ans, des matriels etdes gammes de performances permet aujourdhui de considrer le pompage solaire comme une tech-nologie mature.

LEurope, par un march intrieur trs rduit, sest tourne, ds leur invention, vers un usagedes pompes solaires ddi aux populations rurales des pays en dveloppement.

Aussi, la majorit des systmes conus par les industriels europens sont destins satisfaireles besoins primaires deau potable des pays du Sud.

linverse, certains pays comme les tats-Unis ou lAustralie disposent dun march intrieurpour lalimentation en eau usage domestique de maisons isoles ou pour le btail.

Ce document dresse un tat de lart des technologies et quipements de pompage solairefabriqus en Europe, passant en revue les matriels disponibles, leurs caractristiques, leurs atouts,leurs limites, leurs domaines dapplications et leurs cots.

En dernier chapitre, les grands principes du pompage, information utile pour exploiter ce docu-ment, sont rappels.

1 le pompage solaire

1.1 historique

Pomper laide du soleil est un vieux rve. Onrapporte une premire tentative par HrondAlexandrie en lan 100 aprs J.-C. consistant utiliser la dilatation de lair entre le jour et la nuitpour aspirer de leau. Les premires machines ontutilis leffet thermique du rayonnement solairepour constituer la source chaude dune machinethermodynamique. La pompe de lamricain Schu-mann en 1911 prs du Caire utilisait des capteurs concentration et, dans les annes 1970 enFrance, la pompe SOFRETES utilisait un capteurplan avec un fluide volatil (butane puis fron).Le rendement de ces machines, li celui du cyclede Carnot, tait trs faible, infrieur 1 %.

Larrive des cellules photovoltaques, ouphotopiles, a fait leffet dune rvolution, tant leprocd tait simplifi. Cest aux tablissementsPompes Guinard, bass en France, que lon doit lapremire pompe solaire photovoltaque, instal-le titre exprimental Propriano en Corse en1975. Les rsultats satisfaisants ont permis dins-taller la premire pompe Koni, au Mali, deuxans aprs. Pour une puissance nominale de 1 kW,les 5 tonnes de matriel et le mois dinstallationdune pompe thermodynamique taient remplacspar 850 kg dquipements et deux jours dinstal-lation pour la pompe ALTA X. Le prix tait simi-laire : 200000 FF (30000 ). Fin 1980, une pompe

de prs de 30 kW sera installe en dmonstra-tion Montpellier.

ce jour, 5 000 pompes solaires usagecommunautaire ont t installes sur les cinqcontinents. La rduction des cots, lamliorationde la technologie et de la fiabilit ont permis derduire le cot de leau pompe. Il oscille dansune fourchette de 0,05 0,5 /m3 deau selonla puissance de la pompe, la hauteur de refoule-ment et lensoleillement.

1.2 principes gnrauxdu pompage solaire

La caractristique de lnergie solaire est dtrepriodique (jour/nuit), continuellement variable enfonction de lensoleillement au cours dune jour-ne. Aussi faut-il en gnral un stockage tamponafin de pouvoir utiliser des rcepteurs, consom-mateurs dlectricit, quel que soit le momentsouhait. Le pompage solaire est une exception, ilest en effet relativement facile de stocker lner-gie potentielle de leau dans un rservoir surlev,alternative largement moins onreuse et plus fiablequun stockage par accumulateurs lectriques, carles batteries ont une dure de vie limite et nces-sitent un entretien rigoureux.

Par la variation de vitesse, et donc dudbit, le pompage permet dutiliser directementune puissance continuellement variable, celle issuedes modules photovoltaques. Le dbit depompage va donc voluer avec lintensit de len-

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Heures

Dbit

5 7 9 11 13 15 17 19

Ensoleillement journalier

Dbit de la pompe

Graphique 1 : Pompage au fil du soleil(fonctionnement automatique sur une journe)

1.3 les deux catgories de pompes solaires

Deux types de pompes solaires doivent tredistingus : Les pompes usage individuel pourune famille ou pour le btail partir dun petitpoint deau. Les pompes usage collectif pourla population dun village, quelles soient desti-nes lapprovisionnement en eau potable ou lirrigation de primtres marachers.

Le contexte dutilisation dune pompedomestique est gnralement le suivant : Elle est destine fournir de leau dans unehabitation avec, frquemment, une exigence en

termes de pression. La pompe domestiquecorrespond gnralement un achat individuel,ce qui sous-entend un utilisateur unique etsouvent soigneux. Elle sintgre souvent dansun ensemble dautres quipements solariss avecun parc de batteries centralis.

La pompe villageoise, au contraire, rendun service dintrt gnral, approvisionnant, parexemple, leau potable par bornes-fontaines.

Les besoins dune famille sont de lordredu mtre cube par jour, ceux dun village sesituent entre 10 et 50 m3/jour voire au-del. Aussi,les pompes domestiques seront pratiquementtoutes volumtriques. Disponibles sur le marchgrand public, elles sont gnralement de cons-truction lgre.

Au contraire, les pompes villageoises fontappel aux deux technologies complmentaires,les pompes centrifuges et les pompes volum-triques, selon les caractristiques de dbit et dehauteur de refoulement. La qualit de leur fabri-cation et de mise en uvre est maximale pouren accrotre la dure de vie.

2 les pompes solairesdomestiques

Les premires pompes employes ont t despompes fonctionnant en courant continu de 12ou 24 volts et conues pour le nautisme de plai-sance ou le caravaning pour lalimentation en eaupotable partir dun rservoir embarqu. Cespompes de surface sont normalement installes lextrieur du rservoir. Certaines, immerges,sont conues pour vider la cale du bateau. Ellespeuvent accepter des eaux lgrement charges,et la hauteur de pompage maximale nexcde pas4 mtres environ. Leur rendement est mdiocre.Le faible niveau de qualit correspond celui desgammes habitat ou loisir et jardin (par exem-ple, les pompes vendues dans les grandes surfa-ces avec un emballage attrayant et un habillageplastique de couleur vive).

Ces pompes alimentes en courant continusont conues pour un usage moins intensif queles pompes industrielles usage collectif. Leur

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5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Ensoleillement

Utilisation de la pompecommande par lutilisateuret indpendante des heures densoleillement

Graphique 2 : Pompage sur batterie

soleillement : cest ce que lon appelle le pompageau fil du soleil (voir graphique 1). Le dbit maxi-mum de la pompe, exprim en m3/h, obtenu gn-ralement midi est environ le sixime du dbitjournalier. Pour une pompe volumtrique, lecouple est constant : la puissance absorbe seraproportionnelle la vitesse de rotation (Puissance= couple x vitesse).

Il existe des situations o cet atout nepeut tre mis profit. Elles ncessitent un stoc-kage par banc de batteries. Tel est le cas parexemple des petites units de pompage usagedomestique. Elles font souvent partie dunsystme pourvu de diffrentes applications, clai-rages, froid, quipements audiovisuels dj dotdun banc de batteries. Cest lusager qui dclen-che la mise en route de la pompe qui fonctionnealors en rgime fixe (voir graphique 2).

prix est en rapport avec leur qualit mme si lunde leur secteur de march, le nautisme, atendance faire monter les prix.

La premire pompe construite plus spcifi-quement pour le solaire a sans doute t la Solar-jack (USA), ds la fin des annes 1980. Il sagitdune lectropompe monobloc immerge, cest--dire que pompe et moteur ne font quun : on neparle pas daccouplement, car larbre moteur estaussi une pice de la pompe. Plusieurs fabricantsont repris la mme architecture.

2.1 construction

MoteurLe moteur est courant continu avec balais(moteur srie) pour trois raisons : La pompeest volumtrique, donc demande un fort couplede dmarrage. Lalimentation est en courantcontinu. Ce sont des moteurs faciles cons-truire, donc bon march.

Les modalits dutilisation lui imposentdeux contraintes majeures : Il doit tre tan-che, sinon il se produirait des courts-circuits auniveau des charbons et des collecteurs. Lesdeux zones de vulnrabilit sont la sortie ducble dalimentation et celle de larbre. Il nefaut pas oublier que ce moteur qui travaille sousleau, reoit la pression dimmersion et chauffeen fonctionnement ; par consquent, la pres-sion de la poche dair interne augmente enfonctionnement ; ltanchit constitue sapremire vulnrabilit. Les charbons tant despices dusure, ils doivent tre changs rgu-lirement. Il faut donc prvoir, lors de la fabri-cation, de pouvoir ouvrir le moteur pourchanger les charbons, nettoyer le collecteur etensuite, de refaire son tanchit dune manirerelativement simple.

Les moteurs peuvent tre bobins en 12ou 24 volts pour quelques centaines de wattset tournent 1 500 tours/minute environ. Lescharbons doivent tre changs environ tous lesdeux trois ans par un technicien soigneux etquip. Si lopration ne se fait pas prventive-ment, elle peut ncessiter la rfaction du collec-teur du moteur. Il ne faut pas esprer unegrande dure de vie pour ces matriels usage

domestique et ils ne peuvent fonctionner enrgime continu, conus initialement pour fonc-tionner quelques minutes par jour.

HydrauliqueBeaucoup de pompes hydrauliques sont membrane comme les pompes essence desvoitures. Une membrane souple en matriau desynthse, renforce par un tissage, actionne parun plateau rotatif oscillant, est dforme en soncentre de faon faire varier le volume dunechambre au-dessus delle. Celle-ci est munie dedeux clapets (aspiration et refoulement). Lapompe peut comporter deux, trois, voire quatremembranes pour rpartir, chaque tour, lesefforts. Le fonctionnement tant sans frottementmcanique, ltanchit est plus facile raliserque pour les pompes piston. Un fonctionne-ment sec est tolr.

La vulnrabilit de ce type de pompes sesitue au niveau de llasticit de la membrane,compromis par dventuels dpts et incrusta-tions sa priphrie (calcaire, algues, etc.). Il vasans dire que les petits clapets de chaque cham-bre sont galement trs vulnrables la qualitde leau. Ces pompes ne doivent vhiculer quede leau parfaitement claire. Le dbit de chaquechambre est li la vitesse du moteur et est inf-rieur 100 litres/minute.

On rencontre enfin des pompes piston :larbre du moteur est muni dune came quirepousse deux pistons horizontalement. Cetteconstruction, plus dlicate, offre cependant desavantages de solidit et de rendement.

2.2 fonctionnement

Un moteur srie a une faible rsistance larrtet appelle un fort courant de dmarrage. Relidirectement un gnrateur photovoltaque, lepoint de fonctionnement courant/tension va setrouver trs gauche sur la courbe de fonction-nement dun gnrateur solaire. La tension defonctionnement sera bien infrieure cellecorrespondant la puissance maximum desmodules, ne permettant pas un dmarrage encharge, la tension tant trop faible. Le fonction-nement sur batterie ne pose en revanche pas de

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problme puisque celle-ci impose la tension defonctionnement.

Pour pouvoir fonctionner au fil du soleil,directement sur des modules, il est donc nces-saire dintercaler un adaptateur dimpdance,souvent appel booster, qui va imposer unetension de fonctionnement au gnrateur. Leslectroniques offrent deux possibilits : soit latension est fixe (avec possibilit dajustagemanuel); soit llectronique recherche le pointde fonctionnement puissance maximale (MPPTou Maximum Power Point Tracking).

2.3 types dinstallation

Contrairement aux pompes villageoises, lespompes domestiques peuvent tre installessuivant diffrentes configurations : au fil du soleilou avec batterie, et dans ce cas, avec ou sansrservoir de stockage.

La plupart des constructeurs dconseillentle fonctionnement avec batterie. Ce mode defonctionnement est particulirement justifi si lesystme est, par exemple, install en pleinchamp pour labreuvement du btail.

Si en revanche la pompe est installe dansune habitation comportant dj un systmephotovoltaque pour dautres usages, il est avan-tageux de la faire fonctionner sur le parc de

batteries du systme. Ceci permet de supprimerle rservoir de stockage, organe encombrant etqui ne donne quune pression limite sahauteur par rapport au sol. Le confort dutilisa-tion sera augment par une commande de lapompe par pressostat et un rservoir vessiecapable de fournir, en permanence, de leau souspression au robinet.

2.4 performances

Le graphique 3 illustre, pour une slection detrois pompes distribues en Europe, la zone deperformance dbit journalier/hauteur depompage. Une seule est de fabrication euro-penne la Solaflux, fabrique par Fluxinos(Italie) ; les autres sont amricaines. Solaflux (Fluxinos, Italie) : pompe volumtrique deux pistons horizontaux (quatre combinaisonsdbit/hauteur en fonction de la hauteur de came).Moteur 48 volts, 400 W. Diamtre de forage :4 pouces. Solarjack (US) : pompe volumtrique immer-ge deux et quatre membranes. Moteur 12 30 volts. Diamtre de forage : 5 pouces. Sub Pump (SHURflo US) : pompe volumtriqueimmerge trois membranes. Moteur 12/24 voltsde 150 W 1 900 t/mn. Diamtre de forage :4 pouces.

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Hau

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(m)

Dbits journaliers (m3/j)

Solarjack 40 200 Wc

SOLAFLUX 200 260 Wc

SHURflo 9300 45 135 Wc

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20

10

00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Graphique 3 : Pompes domestiques. Zones de performance

3 les pompessolairesvillageoises

3.1 volution de loffre

La socit Pompes Guinard, pionnier de ce secteur,avait dvelopp une gamme de pompes centrifu-ges arbre long : le moteur aliment par lesmodules photovoltaques directement en courantcontinu et dispos la surface, au-dessus duforage, transmettait son mouvement lhydrau-lique grce une tringlerie. Fiable, ce mcanismenen tait pas moins complexe, dune installationet dun entretien dlicats.

La socit danoise GRUNDFOS a lanc, audbut des annes 1980, une nouvelle technolo-gie : le groupe moteur-pompe est au fond duforage, le moteur est induction, et donc ali-ment en courant alternatif par lintermdiairedun convertisseur. La fiabilit de lensemble enest grandement amliore par la suppression de latringlerie et son remplacement par un tuyau derefoulement souple et auto-porteur. Total nergie(France) dveloppa peu de temps aprs, unegamme de pompes selon le mme principe.

Depuis moins de 10 ans, de nouveauxproduits sont arrivs sur le march, mme si cedernier ne crot pas de faon significative.

Les pompes centrifuges avec onduleur frquence variable restent le standard avec deuxtendances : augmentation des puissances admis-sibles, jusqu prs de 10 kWc utilisation demoteurs immergs standard en remplacement demoteurs spciaux.

La nouveaut la plus marquante est cepen-dant larrive de systmes de pompage volum-trique avec pas moins de 4 offres au niveaueuropen.

Les deux types de pompes, centrifuges etvolumtriques, reprsentant la trs grande majo-rit des systmes proposs, sont prsents dansles chapitres suivants. Il est important de biencomprendre, du point de vue technique, ce quidiffrencie clairement ces pompes par rapport auxpompes domestiques en dehors de leurs caract-ristiques de performance (dbit/hauteur) et pour-quoi il est important dviter la confusion tropsouvent rencontre.

3.2 pompes centrifugesimmerges

Cest donc la socit Grundfos qui a introduit leconcept de pompe solaire immerge avec ondu-leur. Il a fait cole et est devenu le standard actuel.Lide de dpart est simple : il faut une fiabilitaussi grande que possible compte tenu de lloi-gnement des sites dinstallation. La mme appro-

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Graphique 4 : Schma d'installation type de pompe solaire villageoise

Source : Ademe

che avait t faite prcdemment par le concep-teur de la pompe Alta X, Pierre Lavit, des PompesGuinard : une technique rustique, certes moinsmoderne, mais de grande fiabilit, telle que dcriteprcdemment. Le concept de Grundfos estsimple : une extrmit du systme, les modulesphotovoltaques dont la fiabilit est connue, lau-tre extrmit, une lectropompe compose de deuxparties principales : une pompe centrifuge multi-cellulaire dont le diamtre permet son installationdans des forages troits de diamtre normalis,dsign en pouce (4", 6", etc.) un moteur asyn-chrone cage dcureuil construit spcialementpour fonctionner entirement immerg dans leauet aux mmes caractristiques dimensionnellesque la pompe.

La partie hydraulique et la partie lectriquesont assembles au niveau du corps daspiration(la partie infrieure de la pompe) pour former ungroupe lectropompe immerg. Le moteur lec-trique comporte une sortie de cble permettant leraccordement lalimentation lectrique. Le groupeimmerg est suspendu dans le forage par le tuyaude refoulement au niveau de la partie hydraulique.Il est toutefois dot dun cble de retenue.

Pour un forage de 4", lencombrement horstout, y compris le cble lectrique dalimentationqui longe la partie hydraulique, ne doit pas exc-der 96 mm. Plus le niveau de leau est profond,plus lhydraulique comportera un nombre dtagesimportant : un tage levant leau en moyenne de4 mtres pour une pompe de 4".

PompeLe choix des matriaux de construction prend encompte trois facteurs qui assurent la fiabilit dumatriel :- les problmes de corrosion ;- les phnomnes lectrolytiques lis la nature deleau ;- les problmes dabrasion occasionns par lacentrifugation de particules en suspension conte-nues dans leau (limon, sable, silice).

Les matriaux composites modernes appor-tent des solutions largement prouves. Lutilisa-tion de rsines thermoplastiques moules,charges 30 % environ de fibre de verre permetdobtenir des formes et des tats de surface favo-risant un bon rendement. Les parties fixes ou tour-

nantes sont maintenues dans une enveloppe enacier inoxydable assurant maintien et rigidit delensemble. La technique tout inox, autre cole,a aussi largement fait ses preuves.

MoteurLe moteur immerg est galement un composanttechniquement arriv maturit, depuis son lance-ment en 1929. Les diffrents fabricants mondiauxont des dtails ou des astuces de fabrication mais,l galement, le schma de base est le mme : lesbobinages sont raliss avec un fil de cuivreenrob dans une rsine qui assure simultanmentlisolation lectrique et ltanchit. Un cbleimmerg mplat sort du moteur, longe la partie

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Source : KSB

Graphique 4 : Coupe dune lectropompe centrifuge immerge

Clapet anti-retour

Cble lectrique

Aspiration dun impulseur

Palier suprieur de lhydraulique

Aspiration dun impulseur

Palier suprieur de lhydraulique

Palier suprieur du moteur

Moteur immerg

Palier infrieur du moteur

Rotor

Palier bute

Systme dquilibrage de pression

hydraulique puis le tuyau de refoulement pourrejoindre la surface et est raccord au convertis-seur.

Lquipage mobile : arbre, impulseurs delhydraulique et rotor du moteur, tourne la basedu moteur sur un palier bute qui encaisse lesefforts statiques, le poids, et dynamiques, la pous-se hydraulique. Larbre est guid la partie sup-rieure par un palier lisse protg par un souffletde caoutchouc.

Le moteur est entirement rempli deauadditionne de glycol en usine. Ce fluide sert lalubrification des paliers du rotor et participe lva-cuation des calories dues lchauffement du rotorpendant son fonctionnement. la base du moteur,une membrane maintient un quilibre de pressionavec leau extrieure empchant leau du forage,avec ses ventuelles matires abrasives en suspen-sion, de pntrer dans le moteur. Leau ne pouvantni rentrer ni sortir du moteur, la sortie de larbrena donc pas besoin de comporter dtanchit parjoint tournant qui engendrerait une perte de puis-sance.

OnduleurLutilisation dun moteur induction requiert latransformation du courant continu, produit par lesmodules solaires, en courant alternatif.

En courant alternatif triphas, la frquence(50 Hz pour le rseau) conditionne la vitesse nomi-nale du moteur, gnralement fixe 3 000 tours/minute. Or, les panneaux photovol-taques dlivrent un courant continu dont lamp-rage est li lensoleillement quils reoivent.

Utiliser une pompe immerge dont la fiabi-lit nest pas dmontrer et dont le prix bnfi-cie dune fabrication en grande srie, impliquedonc dutiliser un lment intermdiaire transfor-mant le courant venant des panneaux solaires enun courant utilisable par le moteur. Il faudra, parailleurs, que la pompe demande une puissanceidentique celle dveloppe par les panneauxconstamment variable du matin au soir. Pour fairevarier la puissance prise par la pompe, une seulesolution : faire varier sa vitesse (son dbit) et doncla frquence du courant alternatif qui lalimente.Llment intermdiaire est donc un onduleurtriphas frquence variable. Celui-ci, en revan-che, ne se trouve pas dans le commerce pour dau-

tres applications, il fait donc lobjet de constructionspcifique.

Lvolution des lectroniques est lie cellede ses composants de base. En loccurrence ilsagit essentiellement des transistors de puissancedont les deux volutions majeures ont permis : Une monte en puissance : initie par Total ner-gie et reprise par BP Solar. Lutilisation dondu-leurs de tension compatible avec des moteurscompltement standard dveloppe par BP Solar.

Rendement du systmeLe rendement global du systme, produit desrendements de chaque composant : pompe,moteur, onduleur et gnrateur, qui, tous, voluentau cours de la journe, est dautant meilleur que lapuissance du moteur et de la pompe augmente.Les valeurs indicatives moyennes sont les suivan-tes : pompe : 45 55 % moteur : 70 80 % onduleur : 93 97 % gnrateur : 85 95 % rendement global : 25 40 %.

Pour rappel, la formule simplifie de dimen-sionnement dune pompe solaire est :

Wc = Q x H x 2.725 / (E x R)

Avec : Wc = puissance du gnrateur en Watt-crte ; Q = dbit en m3/jour ; H = hauteur mano-mtrique en mtre ; E = ensoleillement journalieren kWh/m2.jour ; R = rendement global

Tension de fonctionnement et contraintes associesPour garder un bon rendement au niveau dunonduleur de pompage, les tensions dentre(courant continu) et de sortie (courant triphas)doivent tre voisines. Du ct moteur immerg, ilne faut pas travailler tension trop faible afindtre en mesure de raliser un bobinage compa-tible la fois avec les ampres vhiculer et avecla taille dun moteur de 96 mm de diamtre ext-rieur.

Cette contrainte nest pas sans impacts surla dfinition des gammes de produits : par exem-ple, SA 1 500 de Grundfos et TSP 2 000 de Totalnergie (700 2 000 Wc). La premire fonctionneavec des sries de 7 modules (110 volts en entre)et un moteur de 70 volts, la deuxime avec dessries de 8 modules (125 volts) et un moteur de80 volts. Dune taille de pompe lautre dans la

9

gamme, les pas sont de 7 ou 8 modules, soit 525ou 600 Wc en prenant des modules de 75 Wc.Cela revient dire que si lon veut couvrir 100 %un besoin, on risque un surdimensionnement dugnrateur qui peut aller jusqu plus de 30 %.

Il en est de mme en comparant la gammeTSP 4 000/6 000 de Total nergie avec la gammeAP de BP Solar. Pour la premire, la tension entreonduleur est de 16 modules en srie, soit256 volts en fonctionnement et un pas de1 200 Wc, toujours pour des modules de 75 Wc.Pour la gamme BP, il faut 20 modules srie soit320 volts et un pas de 1 500 Wc.

On peut, certes, diminuer leffet de pas enjouant sur la puissance unitaire des modules, maisle phnomne de surdimensionnement qui a uneincidence sur le prix et le taux dexploitation de laressource doit tre gard en mmoire.

Quelques conclusions importantes simpo-sent : si les besoins de pompage dun site ontt survalus, le phnomne de surdimension-nement risque, compte tenu de la tension de fonc-tionnement, de reprsenter 20 75 % delinvestissement rpondant au besoin. Il estessentiel de vrifier que la ressource (dbit duforage) est compatible avec le surcrot de dbitquun surdimensionnement par saut de pasprovoque immanquablement. Laugmentationdes puissances unitaires des modules, pousse

par le dveloppement du march de la connexionau rseau et la pression sur la baisse de prix duWatt-crte, augmente leffet de pas. Dans cecontexte, la baisse apparente du prix du Watt-crte ne bnficie pas vraiment au pompagesolaire, bien au contraire, puisquil limite le choixdes tailles de gnrateur en augmentant lcartentre elles.

Limportance porte au rendement dansle critre de choix dune pompe solaire doit ainsitre relativise. Le terrain montre quil est large-ment bnfique de mettre la fiabilit en toutepremire ligne.

Les courbes de baisse de prix tracesdans les laboratoires ont peu de sens lorsque lonvoque des installations en site isol : il vautbeaucoup mieux interroger les fabricants et leursdistributeurs dans le pays concern que de sebaser sur des prix au kilo qui nont pas de ralithors dun contexte prcis.Cette srie de remarques est valable pour toutesles pompes solaires.

Performancesdes gammes proposesLe graphique 5 illustre les performances desgammes de trois fournisseurs europens : Grundfos SA 1 500 Total nergie TSP 2000,4 000 et 6 000 BP Solar srie AP

Les zones de performance correspondent

10

225

200

175

150

125

100

75

Hau

teu

r de

po

mpa

ge

(m)

Dbits journaliers (m3/j)

GRUNDFOS Solar 1 500 : 700 1 750 Wc

TOTAL ENERGIE TSP 2 000 6 000 : 600 5 600 Wc

BP SOLAR AP : 2 000 9 600 Wc

50

25

00 25 50 75 100 125 150 175 200

Graphique 5 : Pompes villageoises centrifuges. Plages dutilisation

un ensoleillement de 6 kWh/m2.jour, elles ont tlisses pour simplifier les graphiques.

3.3 pompes volumtriquesimmerges

Les systmes volumtriques, de faon analogueaux pompes solaires maintenant classiques,comportent 3 lments : un groupe lectropompeimmerg, une lectronique de commande et ungnrateur photovoltaque.

LhydrauliqueLes caractristiques demandes par ce systme depompage, faible dbit et hauteur importante,sortent du domaine de la pompe centrifuge etcorrespondent celui de la pompe volumtrique.La totalit des constructeurs a choisi le type quise prte le mieux dans ce cas : la pompe cavitprogressive, plus connue sous le nom de pompeMono (voir schma suivant).

La pompe volumtrique cavit progres-sive a t invente en 1930 par Ren Moineau, qui

a fond en France la socit PCM. Lexploitationdu brevet ltranger a commenc en Angleterre partir de 1935 (Mono Pumps), puis en Australie etaux tats-Unis (Mono et Monoflo). Cette pompeest maintenant fabrique jusquen Chine. Cest unepompe qui, faible vitesse, est trs bien adapteaux liquides visqueux, abrasifs ou ne supportantpas le brassage que leur ferait subir une pompecentrifuge.

Cest surtout dans les pays anglo-saxons eten Australie o elle est couramment utilise pour lepompage deau sur puits ou forage et connue poursa robustesse dans ce genre dapplication. Elle at tout dabord monte sur arbre long et colonne,souvent avec une transmission poulie. Uneversion en pompe manuelle a mme t construitedans les annes 1980 sans connatre un grandsuccs. Plus rcemment, une gamme hydrauliquea t dveloppe pour permettre un accouplementdirect avec un moteur immerg 3 000 t/mn.

La pompe Mono se compose de deuxlments principaux : un rotor et un stator. Le rotora une forme dengrenage hlicodal ou encore de

11

Coupe dune pompe volumtrique cavit progressive

Le rotor est au point haut de lalvole

Stator et rotor sont reprsents en coupe. La dcomposition du mouvement de rotation du rotor tournant droite permet sur un tour de suivre la progression dune alvole

Le liquide se dplace de droite gauche selon, bien videmment, le sens du dplacement des alvoles

Le refoulement et respiration sont isols lun de lautre par une ligne dtanchit dont la longueur totale est proportionnelle au nombre de pas de la pompe

La rotation inverse du rotor entranerait un dplacement inverse des alvoles et donc du sens du dbit. La pompe est rversiblesous certaines conditions

Rotor

Alvole

Stator

Rotor

Le rotor a tourn de 90 et se trouve dans laxe du stator

Le rotor a tourn de 180,lalvole est ferme

Le rotor a tourn de 270, il se trouve dans laxe du stator

vis larges filets arrondis souvent appele queuede cochon. Le stator est un tube de forme int-rieure complmentaire, mais avec deux filets dontles pas sont le double de celui du rotor. Cettegomtrie particulire isole des cavits entre lerotor et le stator. Ces cavits sont repousses,lorsque le rotor tourne, depuis laspiration vers lerefoulement de la pompe (dune extrmit lau-tre du stator). Quelle que soit la position du rotor,il y a toujours une zone continue de contact entrerotor et stator qui isole les extrmits aspiration etrefoulement. Le dbit engendr est continu, sanspulsation. Le rotor est poli et chrom dur, et lestator est en caoutchouc pour assurer un boncontact dtanchit et un bon coefficient de frot-tement en prsence du fluide pomp. Le stator esttenu dans un fourreau en acier inoxydable quiassure la rigidit de lensemble.

La pompe Mono immerge se prsentecomme une pompe centrifuge immerge classique,avec le moteur lectrique directement accouplsous lhydraulique, laspiration est au niveau delaccouplement et le refoulement la partie sup-rieure, le tout tant suspendu par la tuyauterie derefoulement.

Du point de vue hydraulique, le dbitdpend du diamtre du rotor et, comme pour toutepompe volumtrique, il est proportionnel lavitesse de rotation. La pression de refoulement estune source de fuites internes travers la zone decontact entre le rotor et le stator. Ces fuites dpen-dent de lajustage plus ou moins serr entre lesdiamtres du rotor et du stator. Pour obtenir despressions de refoulement plus importantes (si lapuissance du moteur le permet), il faut diminuer lesfuites internes. Plutt que daugmenter la pressionde contact entre rotor et stator, on utilise un couplestator/rotor plus long de faon disposer deplusieurs zones dtanchit successives (lamina-ges successifs de la fuite) sans trop de pertesmcaniques par frottement au niveau de chacune.

Du point de vue mcanique, un rotor necomportant quun filet cre un phnomne debalourd. Aussi est-il ncessaire de monter unaccouplement semi lastique (cardan par exem-ple) entre lhydraulique et le moteur, de faon faire barrire aux vibrations qui seraient nuisiblesau palier du moteur. Cette difficult peut aussi trersolue en prolongeant le rotor par un arbre fin et

relativement long (Flexishaft de Mono) dont la flexi-bilit permet damortir ce phnomne, le manchonde larbre est de plus viss ou coll pour viterlusure des crans de laccouplement sous leffetdefforts excentriques rsiduels.

Le rendement global de cette hydrauliquedpend principalement : au niveau hydraulique :des fuites internes travers les zones de contactentre stator et rotor, qui augmentent avec la pres-sion de refoulement au niveau mcanique : dela puissance absorbe par frottement entre statoret rotor au niveau de ces zones.

Il y a donc un compromis raliser auniveau des caractristiques dimensionnelles desdeux pices : un ajustement serr entre rotor etstator favorise le rendement hydraulique audpend du rendement mcanique et inversement.

Les avantages de cette hydraulique sont : un rendement bien suprieur celui dunepompe centrifuge multicellulaire (voisin de 85 %contre moins de 50 % pour cette dernire danscette gamme de dbit) une grande fiabilit (uneseule pice en mouvement, pas de clapets) uneexcellente tenue labrasion, par lutilisation dunstator en caoutchouc. Il est important de rappelerici que leau charge est la principale cause depannes des pompes immerges.

MoteurUne des caractristiques de ces pompes volum-triques est le fort couple demand au dmarrage(frottements statiques) puis la mise en vitessecomme toute pompe volumtrique. Dans la gammede puissances mises en jeu, les moteurs immer-gs triphass (similaires ceux utiliss pour lespompes solaires avec onduleur) ont, en plus deleur faible couple, des rendements mdiocres enpetite puissance : ils ne conviennent donc pas pource type dhydraulique.

Des constructeurs ont dvelopp rcem-ment des moteurs courant continu aimantpermanent (rotor en alliage de terre rare) commu-tation lectronique, cest--dire sans balais : lali-mentation alterne des bobinages est raliselectroniquement et non par un contact physique.Ces moteurs sans entretien reprennent larchitec-ture des moteurs immergs classiques (remplisdeau) et ont donc leur fiabilit. Ils ont, en revan-che, un couple et un rendement beaucoup plus

12

important. La fixation entre moteur et hydrauliqueest identique celle des groupes centrifugesimmergs.

lectroniqueLalimentation alterne des bobinages du moteurest pilote par une lectronique qui impose unetension de fonctionnement optimale au gnra-teur photovoltaque (tension prrgle ou MPPT).La frquence de commutation est proportionnelle lintensit dlivre par le gnrateur, pour assu-rer un fonctionnement au fil du soleil. Lunitlectronique est conue pour protger galementles bobinages du moteur contre toute surintensitnuisible (surcharge ou blocage du moteur). Llec-tronique assure aussi larrt de la pompe en cas demanque deau dans le forage par lintermdiairedune sonde.

RendementLe rendement global de ces pompes dpassesouvent 50 %, soit suprieur de 25 points celuides lectropompes centrifuges avec onduleur, dansla mme gamme de puissance.

Performancesdes gammes proposesLe graphique 7 donne un aperu de loffre dequatre fournisseurs europens : Total nergie Grundfos BP Solar Bernt Lorentz AG.

Les zones de performance correspondent un ensoleillement de 6 kWh/m2.jour, elles ont tvolontairement lisses pour la clart de lillustra-tion.

4 prix des systmes

4.1 les lments du prix

Le prix dun systme de pompage peut se dcom-poser en trois parties : Le prix de llectropompeet de llectronique associe. Le prix du gn-rateur photovoltaque (modules, supports etcblage). Enfin celui des accessoires (cble lec-trique de la pompe, tuyau de refoulement, etc.).

Dans une gamme de pompes, cest la puis-sance du gnrateur qui fait varier le prix. Le typede moteur, de llectronique et de lhydraulique naque trs peu dinfluence sur le cot de lensemble.

Le pompage photovoltaque met en jeudes gnrateurs photovoltaques de tailles impor-tantes, et son cot est donc trs influenc par leprix de march du module solaire. Courant 2004,le module photovoltaque est vendu environ4,5 5 /Wc auquel il faut rajouter environ 1 1,5 /Wc pour le cblage et les supports desmodules. Les prix indiqus ci-aprs ne compren-nent pas les accessoires qui dpendent de

13

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

Hau

teu

r de

po

mpa

ge

(m)

Dbits journaliers (m3/j)

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

GRUNDFOS SQFlex : 172 860 Wc

TOTAL NERGIE TSP 1 000 : 300 800 Wc

ETA Bernt Lorentz KG ETA : 90 900 Wc

BP SOLAR MP : 160 1 220 Wc

Graphique 7 : Pompes villageoises volumtriques. Plages dutilisation.

14

chaque installation particulire. Il est vident queplus la puissance du gnrateur est importante,plus le prix se rapprochera de celui du gnra-teur seul (6 /Wc, pour reprendre les chiffresprcdents).

4.2 prix au watt-crte

Cette approche permet destimer le prix dunepompe solaire partir de celui du Wc considr. partir de la formule de dimensionnement dunepompe donne en paragraphe 2.2. :

Wc = Q x H x 2.725 / (E x R)et connaissant le prix moyen par Watt-crte (P/Wc)dans la gamme de puissances considre, onobtient :

Prix = P/Wc x Q x H x 2.725 / (E x R) titre indicatif, le tableau suivant donne

lvolution du prix au Wc des pompes villageoisesde moins de 2 000 Wc depuis lmergence decette technologie :

Les graphiques 8 et 9 ont t tracs partir des tarifs actuels de fournisseurs euro-pens. Ils illustrent linfluence de la puissance dela pompe sur les prix du Wc.

4.3 prixpar m3 deau pomp

Le prix au Watt-crte ne tient pas compte desrendements, affectant le cot du service rendu.Aussi, il est plus juste dexprimer le prix des syst-mes en fonction de leur production journalire.Ceci donne loccasion de faire un comparatif derendement des systmes de pompage par puis-sance et par type (graphique 10). Pour le compa-ratif suivant, effectu sur 8 types de pompes, ontt considrs une hauteur de pompage de 30 met un ensoleillement de 6 kWh/m2.jour.

Le groupe des 4 pompes volumtriques sedtache nettement dans leur zone de puissances,avec des rendements globaux entre 35 et 50 %.

Ces rendements se traduisent par uneproduction spcifique suprieure des pompesvolumtriques par rapport aux pompes centrifu-ges comme lillustre le graphique 10. Ces rende-ments compensent largement un prix au Watt-crtesuprieur des pompes volumtriques dans la

Graphique 8 : Prix moyen au Wc pour pompes volumtriques et centrifuges de puissance infrieure 2 000 Wc.

Prix

en

p

ar W

c

Puissance du gnrateur

7,00

6,00

5,00

4,00

11,00

10,00

9,00

8,00

14,00

13,00

12,00

0 500 1 000 1 500 2 000 2 500

anne 1975 1985 1995 2003

Prix/Wc () 30 15 13 7

15

Ren

dem

ent

glo

bal

(%)

Puissance du gnrateur (Wc)

35,00

30,00

25,00

20,00

55,00

50,00

45,00

10,00

0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000

Pompesvolumtriques

Pompescentrifuges

Prix

en

p

ar W

c

Puissance du gnrateur (Wc)

6,00

5,50

5,00

7,00

6,50

8,00

7,50

2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000 5 500 6 000

Graphique 9 : Prix moyen au Wc pour pompes centrifuges de puissance suprieure 2 000 Wc.

Graphique 10 : Rendement global typique de plusieurs types de pompes pour une hauteur de de pompage de 30 mtres

gamme de puissance de 300 1 000 Wc. Legraphique 11 illustre, sur ces mmes bases, lesprix par m3 pomp. Le graphique montre une zonede prix de leau en fonction de diffrentes pompesprises dans la gamme 500 6 000 Wc. Pour unepuissance donne, lcart sexplique par les diff-rences de prix et de performances annoncs parles diffrents fabricants. On peut remarquer que lafourchette de prix est importante dans la zone derecouvrement de deux gammes, pompes volum-triques et centrifuges. Pompe et lectroniquereprsentent alors en moyenne 35 % de lensem-ble, et les carts de prix dun constructeur lau-tre sont importants. Le prix de ces deuxcomposants reprsente alors moins de 10 % dansla zone des fortes puissances.

Les calculs ayant conduit aux rsultatsprsents dans le graphique 12 ont pris encompte : Le matriel de pompage et son renou-vellement en admettant que les cots des amna-gements hydrauliques et de lexploitation sontidentiques quel que soit le moyen mcanique depompage. Une priode de 20 ans en supposantque lensemble du systme de pompage soit alorsentirement remplacer (mme si les modules onten fait une dure de vie plus longue). Les tauxdactualisation ne sont pas pris en compte comme

souvent dans ce genre dvaluation. Les duresde vie de llectro-pompe et de llectronique asso-cies sont de 7 ans, soit 2 renouvellements (aubout de 7 et 14 ans). Leau est pompe 30mtres avec un ensoleillement de 6 kWh/m2.jour. 80 % du volume pomp est effectivement vendu(20 % de perte rseau et dinvendu).

Enfin, il est utile de rappeler, que comptetenu du cot dinvestissement lev des modulessolaires, il est ncessaire de privilgier le volumedeau fourni pour rduire, autant que faire se peut,le prix de leau. Cette stratgie sera mise en uvrepar la conception et linstallation dun circuit dedistribution rduisant au maximum les pertes.

5 conclusion

Le pompage solaire, dans lUnion europenne,reprsente une part peu significative du marchglobal du photovoltaque, les modules solairesconnects au rseau captant aujourdhui la quasitotalit de la production.

Si le pompage solaire ne reprsente pasaujourdhui une quantit significative de modulesphotovoltaques fournis, il est cependant le

16

Pro

duct

ion

en

lit

re p

ar W

c

Puissance du gnrateur (Wc)

30,00

25,00

20,00

15,00

40,00

35,00

0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000

Pompesvolumtriques

Pompescentrifuges

Graphique 11 : Production journalire par Wc pour une hauteur de de pompage de 30 mtres et un ensoleillement de 6kWh/m2/ j

support dun march susceptible de reprsenter, terme, lun des principaux secteurs de march :

- il dispose dune grande importance enqualit de service rendu ;

- il est lamorce dune plus large utilisationdu photovoltaque, pour des applications domes-tiques, sociales ou conomiques ;

- alternative aux groupes moto-pompesaliments en carburant, il est dautant pluscomptitif que le prix du combustible augmente.

Rduire le prix du litre deau pomp,accrotre la qualit du service, ce sont autantdatouts que se donne la technologie photovol-taque pour aborder ce vaste march, prometteurmais complexe et permettre un accs leau aussilarge que possible, mme pour les populationsles plus dmunies.

Associant fiabilit des quipements etsouci de la qualit du service, lEurope est bienpositionne pour prendre une part importante dece futur march.

17

Prix

de

lea

u (

/m

3)

Puissance pompe (Wc)

0,07

0,05

0,03

0,11

0,09

0,13

0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000

Graphique 12 : Prix de leau en fonction de la puissance des pompes solaires

N.B. : Ces prix ne tiennent pas compte de lamortissement des cots des infrastructures annexes, forages, rservoirs,points deau et canalisations associs, similaire pour toute autre source dnergie, ni des charges de leur gestion

annexe 1.rappel de notionsdhydraulique et de pompageLhydraulique tudie le comportement des fluidesincompressibles (les liquides par opposition auxgaz). Un liquide peut acqurir et transmettre delnergie sous deux formes : par sa vitesse (ner-gie cintique) et par sa pression (nergie poten-tielle). Dans la pratique, cest presque toujoursune combinaison des deux mais, lorsque la partde lnergie cintique est prpondrante dans lephnomne, on parle dhydrodynamique et, lin-verse, dhydrostatique. Dans une turbine, cestprincipalement la vitesse du liquide qui entre enjeu, dans un vrin au contraire, cest la pression.

1 dfinitions et units

nergie potentielle et pressionLnergie potentielle dun volume deau situ dansun chteau deau correspond lnergie qui aservi lever cette eau. Si on fait redescendrecette masse deau, elle va retrocder lnergieacquise. Si on ne le fait pas, elle garde ce poten-

tiel. Cette nergie est le produit du poids deaupar sa hauteur. Ep = Mg x H. Elle se mesure entermes de pression.

La pression est la force applique (lepoids) par unit de surface, lunit de pressionla plus courante est le bar. Une colonne deau de10 mtres de haut exerce une pression de prati-quement 1 bar sa base. Cest pourquoi on asso-cie couramment la pression une hauteur deau,et on traduit nergie potentielle et pression enmtre de colonne deau.

nergie cintiqueLa deuxime composante de lnergie hydrauliqueest le dbit. Communiquer de lnergie unliquide ou, au contraire, la rcuprer, implique undplacement de ce liquide. Le dbit est le volumede liquide dplac par unit de temps. Q = V/t.

Plusieurs units sont employes : en volume, le litre ou le m3 ; en temps, la seconde, la minute ou lheure.

On utilise couramment le m3/s, lelitre/mn, etc. Pour ce qui suit, on utilisera le m3/h.Un mme dbit peut transiter dans une tuyauterieplus ou moins grosse : la diffrence sera la vitessedu liquide : plus la section de la tuyauterie estfaible, plus la vitesse du liquide est importante. Untransfert de liquide implique donc la mise en jeude plus ou moins dnergie cintique.

18

Dbit

Pertes de charge

Hauteur gomtrique

Hauteur

Graphique 13 : Courbe rseau

nergie dun liquideen mouvementDe ce qui prcde, on voit que lnergie dunliquide en mouvement dans une canalisation atrois composantes : hauteur, pression et vitesse.Lnergie totale du liquide est la somme de cestrois types dnergie : E = Ep + p + Ec.

Dans la pratique, les vitesses deau dansles canalisations sont relativement faibles, inf-rieures 2,5 m/s, au-del duquel lcoulementserait bruyant. La part dnergie cintique est beau-coup plus faible que les deux autres, si bien quelleest gnralement nglige dans les calculs.

La puissance est la facult dun appareil consommer ou produire une certaine quantitdnergie dans un temps donn. Lunit dner-gie est le Joule, celle de la puissance est le Watt(1 Watt = 1 Joule/seconde ou 1 joule = 1 Watt x 1seconde). Le wattheure (Watt x heure) est uneunit plus courante, il vaut 3 600 joules.

Pertes de chargeDans une tuyauterie horizontale, leau reste lamme hauteur et a donc une nergie potentielleconstante. Si la section diminue un endroit don-n ; le dbit restant le mme, la vitesse de leau vaaugmenter, la part de son nergie cintique gale-ment. Cette augmentation ne peut se faire quaudtriment de sa pression car, dans la somme, ilny a eu aucun apport dnergie supplmentaire : lapression du liquide va donc diminuer.

Linverse nest pas compltement vrai. Leliquide a frott contre la surface interne de latuyauterie, entranant des pertes qui augmententrapidement avec la vitesse de leau (comme lecarr de la vitesse). lendroit o la tuyauterieretrouve son diamtre initial, on constate que lapression a lgrement diminu. Comme toute

perte dnergie, la diffrence a t perdue enchaleur. On appelle pertes de charge, ces pertesen frottements le long dune tuyauterie. Pour treprcis, on distingue les pertes de charge linairesdans une conduite et les pertes de charge singu-lires. Elles sont fonction de : La vitesse deleau, donc du dbit et du diamtre de la tuyau-terie. La longueur de la tuyauterie. La rugositinterne de la tuyauterie : la rouille multiplie par 5la rugosit, un tube plastique nest pas loin de100 fois moins rugueux quun tuyau galvanis. Des singularits du rseau (coude, t, vanne).

Les pertes de charge tant des pertes depression, elles se mesureront comme la pression,en mtre. Compte tenu du cot des modulessolaires, il est ncessaire de rduire, autant quefaire se peut, les valeurs de ces pertes. En pra-tique, elles ne doivent pas dpasser 5 % de lahauteur gomtrique.

Hauteur manomtriqueQuelle nergie faut-il dpenser pour lever unemasse deau dans un rservoir ? la fin de lop-ration, on a vu plus haut que la masse deau auraune nergie potentielle gale Mg x H et que lapression mesure en bas (pression statique expri-me en mtre deau) sera H, la hauteur du rser-voir. Mais nous avons galement vu, que lors dutransfert, il y a des pertes de pression dans lacanalisation (les pertes de charges Pc). Il faut lescompenser et donc appliquer une pression H + Pcau niveau de la pompe : cette pression sappellehauteur manomtrique, elle est exprime enmtre de colonne deau.

Hauteur manomtrique = hauteur gom-trique + pertes de charge.

Ainsi lnergie communique leau est :Mg x (H + Pc).

19

Graphique 14: Pompe rotative palettes.

Aspiration Transfert Refoulement

Pour une canalisation donne, plus lop-ration est rapide (cest--dire plus le dbit estimportant) plus les pertes de charges sont impor-tantes. La hauteur manomtrique est donc fonc-tion du dbit.

Courbe rseauOn appelle rseau, la tuyauterie et les accessoiresqui servent transporter de leau entre deuxpoints : par exemple dune source deau unrservoir. Un rseau a certaines caractristiquespropres : le dnivel entre les deux extrmits etla configuration de la tuyauterie. Celle-ci entrane,comme on la vu plus haut, des pertes de chargequi sont fonction du dbit. Ceci peut se traduiresur un graphique (13) qui donnera la hauteurmanomtrique du rseau en fonction du dbit. dbit nul, la hauteur manomtrique sera gale la hauteur gomtrique, puis elle augmenteracomme les pertes de charges.

Limite daspiration des pompesAu-dessus dune colonne deau de 10,33 mtres(comme au-dessus dune colonne de mercure de76 cm), il y a le vide (nous faisons abstractionde la pression de vapeur saturante). Ceci veutdire tout simplement, que la limite daspirationde leau est de 10,33 mtres (la pressionatmosphrique mesure en mtre deau). De lathorie la pratique, nous arrivons un chiffreque lon peut situer autour de 7,5 mtres.

Donc, gardons en mmoire quil est impos-sible de pomper une eau qui serait plus de7,5 mtres en contrebas dune pompe.

2 pompes

Une pompe est une machine qui transforme lner-gie mcanique en nergie hydraulique. Lnergiemcanique est elle-mme produite par un moteurlectrique, thermique, etc. Comme une pompe nepeut se passer de moteur, on associe moteur etpompe lorsque lon parle dlectropompe, demotopompe ou encore de pompe manuelle.

Lors du pompage dun liquide, la pompene doit pas seulement fournir une pression qui-valente celle correspondant la diffrence deniveaux entre laspiration et le refoulement(hauteur gomtrique dlvation totale), maisgalement la pression ncessaire pour vaincre lespertes de charge dans les conduites daspirationet la tuyauterie de refoulement. On peut lire sur lacourbe rseau le point de fonctionnement de lapompe : le dbit et la pression fournie.

On suppose, bien sr, que par sa cons-truction et la puissance de son moteur, la pompesoit effectivement capable de fournir le travail(lnergie) demand. On peut trs bien imaginerque la pompe au contraire, ne puisse pas accep-ter la pression impose (quelle casse ou clatesous leffet de cette pression) ou que la puis-sance en jeu soit suprieure ce que peut dliv-rer son moteur (donc quil cale). Une pompe doitavoir des caractristiques de dbit et de hauteurcompatibles avec celles du rseau. Ces caract-ristiques sont illustres sur la courbe dbit/hauteur de la pompe qui est fournie par le cons-tructeur.

Pompes volumtriquesCe sont les pompes les plus anciennes (200 avantJ.-C., dit-on) et les plus connues. Elles fonctionnenten deux temps : remplissage puis vidange dunvolume de liquide, do leur appellation. Leur fonc-tionnement ne met pas en jeu la vitesse de leau, cesont donc des machines hydrostatiques. La multi-tude des diffrents modes de fonctionnement lesclasse en deux catgories : Les pompes alterna-tives. Les pompes rotatives (graphique 14).

La plus connue des pompes alternatives estla pompe piston (graphique 15). Elle com-porteune soupape dadmission et une soupape dchap-pement, le pompage se fait en deux temps : aspi-ration puis refoulement, et le dbit se fait par-coups.

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Graphique 15 : Pompe piston.

Aspiration Refoulement

Dans les pompes rotatives, le dbit est aucontraire rgulier : cest par exemple le cas despompes engrenages, lobes, palettes, etc. Cettedeuxime catgorie de pompes a aussi lavantagede ne comporter, en gnral, ni soupape ni clapet.

Le dbit dune pompe volumtrique estproportionnel sa vitesse (nombre de coups parminute ou vitesse de rotation de laxe). Pour unevitesse donne, le dbit est en thorie constant.Dans la pratique, le dbit dcrot avec la pression cause des fuites internes au niveau des pointsdtanchit et, ventuellement, de la baisse dergime du moteur suite laugmentation de la puis-sance demande.

Faire varier le dbit dune pompe volum-trique, si la vitesse du moteur est fixe, ne peut sefaire quen dtournant une partie du dbit (by-pass).Arrter le dbit dune pompe volumtrique enfermant une vanne est une manipulation dange-reuse si la pompe nest pas munie dune soupapede scurit.

Les pompes volumtriques permettent despressions importantes pour des dbits relativementfaibles. Elles ne brassent pas le liquide et sont, dece fait, bien adaptes aux liquides visqueux oufragiles.

Le travail effectu commence au dmarrage,ds les premiers tours de moteur : ce type depompe ncessite donc un moteur qui a un couplede dmarrage important ou, dfaut, un systmequi embraye la pompe une fois le moteur lanc.Une pompe volumtrique permet en gnral daspi-rer lair contenu dans la tuyauterie, on dit alorsquelle est auto-amorante.

Pompes centrifugesCe type de pompe plus rcent (invent vers 1850)est beaucoup plus rpandu (graphique 15). Les

pompes centrifuges ont en effet beaucoup davan-tages par rapport aux prcdentes. Leur cons-truction est galement plus simple : deux partiesprincipales, pas de clapet. Dans ces pompes,lnergie mcanique est tout dabord transformeen nergie cintique, le liquide est mis en vitessedans un impulseur. Ce sont donc des machineshydrodynamiques. Lnergie cintique est ensuitetransforme en nergie potentielle (de pression)par ralentissement de la vitesse du liquide dansune volute.

Les caractristiques des pompes centrifu-ges sont trs diffrentes des prcdentes : Lecouple de dmarrage est faible, principalementli linertie des lments mobiles. La pompeoffre, pour une vitesse donne, diffrentes possi-bilits de dbit et de pression. La pression aune limite maximale qui correspond un dbitnul et une puissance absorbe minimale.

La pression que peut donner une pompecentrifuge est lie la vitesse de rotation de sonaxe et au diamtre de son impulseur (qui donnela vitesse de leau sa priphrie). Pour obtenirplus de pression, il suffit daugmenter le diamtre,mais il y a le risque darriver des vitesses deaudangereuses et une taille de pompe trop volumi-neuse. La limite se situe galement au niveau dela tenue mcanique dun impulseur qui, pourengendrer un petit dbit, doit rester de faiblepaisseur avec la fragilit qui en dcoule.

Retenons quune pompe centrifuge est maladapte pour de faibles dbits et de grandeshauteurs contrairement sa cousine volum-trique. Situons la limite infrieure de dbit autourde 1,5 m3/h pour fixer les ides.

Il est toutefois possible daugmenter lapression de la pompe par un autre moyen : ajou-ter la pression donne par un impulseur unautre et ainsi de suite. On construit alors unepompe centrifuge multicellulaire dont la pressionna thoriquement pas de limite et dont la taille(le diamtre) reste raisonnable. Signalons enfinque les pompes centrifuges ne peuvent aspirerlair et, moins de dispositif spcial, ne sont doncpas auto-amorantes.

Rendement et vulnrabilitLe rendement est le rapport entre lnergie mca-nique fournie la pompe et lnergie hydrauliquequelle dlivre. Les pertes dnergie ont trois origi-

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Graphique 15 : Pompe centrifuge.

Aspirat ion

Refoulement

nes : les frottements mcaniques, les fuites inter-nes (recirculation entre refoulement et aspiration)et les frottements dus la mise en vitesse de leau(ou pertes de charge internes).

Dans une pompe volumtrique, il ny a pasrellement de mise en vitesse deau si ce nestaux passages troits travers les ventuelsclapets. Une construction soigne permet assezfacilement dobtenir de trs bons rendements, delordre de 90 %.

La simplicit mcanique dune pompecentrifuge permet de limiter les frottements mca-niques, une construction soigne rduit les fuitesinternes, en revanche cest la transformation devitesse en pression qui est le facteur limitant. Dansla pratique, 60 % est un chiffre trs honnte pourune pompe centrifuge.

Cest leau qui lubrifie et refroidit les partiesen frottement dune pompe. Une pompe qui fonc-tionne sec est donc rapidement mise en danger :usure voire grippage. Si le liquide vhicul contientdes matires en suspension abrasives la pompesuse. Ceci est encore plus vrai pour une pompecentrifuge o la vitesse de leau augmente lephnomne dabrasion. Le dernier ennemi de lapompe est le degr dagressivit de leau (sanature acide ou basique). Il faut en tenir comptedans le choix des matriaux qui la constituent.

Une pompe de construction soigne auraun bon rendement, en revanche elle naccepteraque de leau claire. On trouve sur le march despompes qui acceptent des eaux charges (pompesdgout), mais cet avantage est compens par desrendements qui sont de 20 % peine, do uncot prohibitif dune solution photovoltaque.

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annexe 2.liste de fournisseursCette liste de fournisseurs europens ne prtendpas tre exhaustive.

BERNT LORENTZ GmbH & Co. KGOliver NaveGroer Ring 922457 Hamburg, GermanyTl. : +49/40/559-84025, fax: -3660E-mail : oliver.nave@lorentz.dewww.lorentz.de

APEX BP SOLARMichel Mansard1, rue du Grand Chne34270 Saint-Mathieu-de-Trviers, FranceTl. : +33 (0) 499 622 622Fax : +33 (0) 499 622 623E-mail : info@apex-bpsolar.comwww.apex-bpsolar.com

GRUNDFOS A/SErik BO KrustrupPoul Due Jensens vej 78850 Bjerringbro, DenmarkTl. : +45/87/50-4575, fax: -1468E-mail : ebkrustrup@grundfos.comwww.grundfos.com

IBC SOLAR AGBox 1107, 96231 Bad Staffelstein, GermanyTl. : +49/9573/9224-0, fax : -24E-mail : info@ibc-solar.dewww.ibc-solar.com

ISOFOTON S.A.Julian BELLIDOC/Montalban 9, Madrid, SpainTl. : +34/91/5312625, fax : +34/91/4147870E-mail : isofoton@isofoton.com

ISOFOTON S.A.Julian BELLIDOC/Montalban 9, Madrid, SpainTl. : +34/91/5312625, fax : +34/91/4147870E-mail : isofoton@isofoton.com

FLUXINOS ITALIA SrlCristina BartalliVia Genova 1058100 Grosseto, ItalyTl. : 39/0564/4512-72, fax: -37E-mail : info@fluxinos.itwww.fluxinos.it

MONO PUMPS Ltd.Martin Street, AudenshawManchester, M34 5JA, EnglandTl. : +44 (0) 161 339 9000E-mail : info@mono-pumps.com

SHURFLO EUROPE Ltd.Godfrey FrostUnit 5 Sterling Park, Gatwick RoadCrawley, West Sussex RH10 2QT, UKTl. : +44/1293/42-4000, fax: -1880E-mail : sales@shurflo.co.ukwww.shurflo.com

TOTAL ENERGIE12-14 Alle du Levant69890 La Tour de Salvagny, FranceTl. : +33/478/488850, fax : -194483www.total-energie.com

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Programme MEDACommission europenne200, rue de la LoiB-1049 BruxellesBelgique

Agence de lEnvironnement et de la Matrise de lnergie27, rue Louis Vicat75015 ParisFranceTl. : +33 (0)1 47 65 20 00Fax : +33 (0)1 47 65 22 29www.ademe.fr

Universidad Politecnica de MadridInstituto de energa solarE.T.S.I. TelecomunicacinCiudad Universitaria28040 MadridEspagneTl. : + 3401 544 10 60Fax : + 3401 544 63 41E-mail : rosa@ies-def.upm.es

Fondation nergies pour le Monde146, rue de lUniversit75007 ParisFranceTl. : +33 (0)1 44 18 00 80Fax : +33 (0)1 44 18 00 36www.energies-renouvelables.org

COMMISSIONEUROPEENNE

Les partenaires du projet Implementation of a photovoltaic water pumping programme in Mediterranean countries :

Technologies europennes du pompage solaire photovoltaque a t ralis dans le cadre du projet Implementation of a photovoltaic water pumping programme in Mediterranean countries

Avec la contribution financire de : Commission europenne programme MEDA, contrat ME 8/AIDCO/2001/0132/SMAP4 Ademe

Contractants du projet : Universidad Politecnica de Madrid - Instituto de energia solar Fondation nergies pour le Monde

Document ralis sous la direction de la Fondation nergies pour le Mondeavec la contribution de : Hubert Bonneviot (Consultant indpendant hubert.bonneviot@wanadoo.fr) Michel Courillon (Agence de lEnvironnement et de la Matrise de lnergie) Yves Maigne (Fondation nergies pour le Monde)