Je voudrais une pompe.... Ca coûte combien? Telle est la question très souvent posée par l'éventuel acheteur. Il est évident que le vendeur, ou le conseiller sérieux ne peut se contenter d'aussi peu d'information. N'importe quoi, ressemblant de près ou de loin à une pompe pourra être vendu à ce client peu conscient de la pauvreté de ses arguments. Chose certaine, il n'y connaît strictement rien, peut-être même n'a-t-il jamais vu une pompe de son existence.
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Chaque pompe a ses limites de
fonctionnement
Pompes solaires
Arrosage, irrigation, adduction d'eau
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Des clients de ce style nous en avons tous les jours. Aussi est-il bon de parler un peu de la pompe.
Si on se donne la peine de consulter un quelconque catalogue de pompes, on constatera immédiatement, que des pompes, il y en a des pages entières, jusqu'à constituer un véritable annuaire. Vue l'épaisseur du volume, le nombre de courbes représentées, on s'imaginera aisément que le problème ne doit pas être aussi simple qu'il n'y parait à première vue.
Les grandes catégories de pompes :
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Pompes de surface ou pompes immergées
?
Une loi physique, interdit une aspiration au delà d'une certaine hauteur: 960mm pour du mercure, 12.6 mètres pour de l'eau pure à 25°C. Principe du baromètre! En ce qui concerne les liquides qui nous intéressent ici, cette hauteur, due aussi à la conception de la pompe n'excèdera jamais 8-9 mètres. Cette hauteur, pour une pompe donnée sera également fonction du poids spécifique du liquide pompé (Température et densité, par exemple, l'eau salée est plus lourde que l'eau douce!) Il sera donc impossible d'utiliser une pompe de surface pour pomper à une profondeur supérieure à 8 mètres, sauf cas exceptionnels. Dès que la profondeur excèdera cette limite, il sera fait appel à une pompe immergée. Si l'on ne peut pas aspirer, rien ne s'oppose à pousser et l'on peut, sans mal, refouler de l'eau à plusieurs centaines de mètres de hauteur. Les pompes solaires seront très généralement des pompes immergées, la raison étant qu'elles ont un meilleurs rendement et seront donc, à profondeurs et débits égaux, moins chère! |
Bien sûr il y en a des grosses, des très grosses et des plus petites. Mais encore, il y en de surface ou immergée, (voir encadré ci-dessus) Il y a encore tout un lot de pompes répondant à des conditions particulières, pompes à piston, à membrane, à impulseurs, centrifuges, etc... etc... Certaines sont faite pour pomper uniquement de l'eau claire, d'autres des liquides chargés, d'autres de l'eau salée. Donc des milliers de pompes, certaines allant jusqu'à se fabriquer sur mesures.
Les catégories de pompes qui nous intéressent ici sont des pompes à eau, éventuellement utilisées pour pomper de l'eau salée (les courbes de fonctionnement devront être ré-étalonnées en fonction de la densité de l'eau à pomper. (Sa teneur en sel))
Lorsque nous regardons la courbe représenté à la figure 1, nous constatons que le rendement d'une pompe donnée se situe toujours entre deux limites: le minimum de profondeur, et le maximum. Ce qui revient à dire que le rendement maximum de la pompe se définira exactement pour une HMT bien définie, en avant ou en arrière de ce point, le rendement chutera, d'abord très lentement, puis de plus en plus brutalement. Ceci, jusqu'au point ou la pompe fonctionnera sans pomper! (coté HMT trop élevée, s'il s'agit d'une pompe centrifuge. Elle peut être bloquée et griller, s'il s'agit d'une pompe volumétrique). Du coté HMT trop basse la pompe fonctionnera, mais à consommation égale, avec un débit plus faible par rapport à une pompe mieux adaptée.)
Des chiffres :
Comme toutes choses, le débit d'une pompe répond à des formules mathématiques. Ici, celle qui nous intéresse (En version simplifiée pour les puristes) c'est: 7 x Q x H, C'est quoi ce truc barbare? Il s'agit d'une formule bien connue en hydraulique, elle permet de calculer la puissance (Approximative) d'une centrale hydraulique. A première vue ça n'a donc rien à faire ici. Nous verrons ça plus tard. 7: c'est un coefficient regroupant tout un tas de trucs barbares allant du rendement moyen à l'accélération de la pesanteur (9.81, Vous pouvez prendre note, ça fait bien dans la conversation!) Q, C'est la quantité d'eau en litres par seconde et enfin H, c'est la hauteur. Cette formule donc va nous permettre de calculer la puissance en W d'une micro-centrale hydraulique.
7 x 10 litres par seconde x 60 mètres de chute = 4200 Watts
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Ci-contre: Figure 2, Courbes de rendements d'une pompe solaire |
Comme c'est simple! Eh bien, pour calculer la puissance d'une pompe, on va faire à peu près la même chose, mais à l'envers. Nous aurons toujours Q et H correspondant à la quantité d'eau désirée (le débit) et H la hauteur à laquelle on doit remonter l'eau. Là on ne multipliera pas, mais on divisera par le fameux coefficient qui change un peu, les rendements n'étant pas les mêmes. (Figure 2) Notre formule devient donc Q x H x 7 x 0.3 à 0.6, qui sont les rendements moyens des pompes selon le point de la courbe sur lequel on se trouve. Dans les mêmes conditions la puissance absorbée par notre pompe serait donc de:
10 x 60 x 7/0.3 à 0.6 = 14000 à 7000 Watts selon le rendement.
On voit ici qu'à puissance égale, on pompe moins d'eau qu'il n'en faut pour obtenir la puissance nécessaire pour faire tourner la pompe avec une micro-centrale. Ce sont là les conséquences inévitables des pertes successives.
Le rendement de la pompe évoluant constamment en fonction de la HMT et s'écroulant très rapidement à chacune des extrémités des courbes. Il est certain qu'une pompe ne peut être réalisée (Sauf exception) que pour une profondeur donnée, en plus ou en moins de cette profondeur, le rendement diminue et au delà d'une certaine limite, la pompe ne devient plus "rentable"
La courbe ci-dessus (Fig 2) représente le diagramme de fonctionnement d'une pompe à diverses vitesses de rotation, (Donc à diverses puissances) pour des hauteurs comprises entre 5 et 30 mètres de HMT. Les courbes transverses indiquent les points de mêmes rendements. La vitesse de rotation, ici, est variable. Ce qui est une manière d'adapter la pompe aux conditions de fonctionnement. Les pompes standards ont des vitesses fixes, donc des plages de fonctionnement encore plus réduites.
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Fig 3 - réseau de courbes (Hauteur/débit) des pompes de la série SP2 (Grundfos)
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La figure ci-dessus, (fig 3) donne un exemple de réseau de courbes de fonctionnement d'une série de pompes Grundfos. Chaque pompe a une définition précise quant à sa hauteur maximum. (Échelle verticale) et un débit (Échelle horizontale). Ainsi, la pompe SP2A6 a un débit maximum de 2.75 m3/heure à une hauteur comprise entre 0 et 10 mètres (On voit ici la limite de débit, à moins de 10 mètres, la pompe est inadaptée et sa consommation reste constante même en diminuant la HMT) Par ailleurs, à 40 mètres le débit devient nul (Et la pompe consomme de l'énergie, elle est encore inadaptée. Le meilleur choix, pour cette pompe, est une profondeur comprise entre 10 et 30 mètres (courbe en gras) avec un débit de 2.6 m3 à 10 mètres et 0.4m3 à 35 mètres. (Avec la même quantité d'énergie consommée, on notera la différence des débits!)
Les chiffres indicatifs, à coté du type de la pompe donnent le nombre d'étages (de la partie pompe). Plus ce chiffre sera important, plus la puissance du moteur devra être élevée. (De même la puissance du système solaire!!)
Il est évident qu'il existe d'autre réseaux de courbes pour d'autres pompes, avec des HMT identiques ou différentes, mais avec des débits plus ou moins importants.
Plusieurs pompes dans un même forage ?
Le nombre et le modèle des pompes solaires étant strictement limité, le choix se reporte quasi systématiquement sur un nombre restreint de solutions.
De par la forme des courbes de rendement des pompes, on choisira également toujours la meilleure solution possible (Dessin ci-dessous, figure 4) Il est évidemment hors de question de travailler en dehors de la meilleure zone de rendement de la pompe.
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Fig 4 - Encore le rendement des pompes solaires . On voit très nettement l'avantage de la pompe adaptée, (100%) la plage utilsable pourrait déjà représenter une perte de rendement de 20% . On imagine aisément ce qui se passe, si ces limites sont dépassées. |
Par ailleurs, les débits de ces pompes solaires, sont relativement souvent modestes, notamment lorsque les hauteurs manométriques dépassent les 80 ou 100 mètres, ce qui amène fréquemment à choisir plusieurs pompes.
Le choix de plusieurs pompes fonctionnant en parallèle, est loin d'être un mauvais choix, dans la mesure ou l'on adapte au mieux la HMT choisie, au débit de la pompe, ce qui se traduit par plus d'eau pompée, (On fonctionne au meilleur rendement de chaque pompe) pour une installation solaire globalement moins puissante, donc moins coûteuse. Le deuxième argument en faveur de ce système est la fiabilité : Une panne quelle qu'elle soit n'intéressera qu'une pompe, le système continuera à fonctionner avec un débit réduit, ce qui laisse toute latitude pour effectuer la réparation.
Des pompes solaires sur batteries ?
Question souvent posée, d'où cette réponse.
Il peut être nécessaire de faire fonctionner un système de pompage sur batteries pour plusieurs raisons.
1) La première, et la plus évidente, étant d'avoir de l'eau sous pression en toute heure (Sans passer par un château d'eau, ce qui est toujours la meilleure solution technique et la moins coûteuse)
2) Avoir un débit constant et régulier (Sans passer par un château d'eau, ce qui est toujours la meilleure solution technique et la moins coûteuse) (Bis)
3) Extraire de l'eau d'un forage pendant la nuit (pour avoir plus d'eau !) ce qui encore une fois est une mauvaise solution (sauf s'il est impossible de faire autrement) la meilleure solution, et la plus économique financièrement, étant un deuxième forage.
Ces réponses posent plus de questions qu'elles n'apportent de réelles réponses. Voilà donc LA RÉPONSE : Une pompe solaire demande une puissance considérable, stocker cette énergie demande une quantité impressionnante de batteries, la moindre pompe en demanderait facilement une tonne ! Une tonne de batterie représente un coût loin d'être négligeable tant à l'achat de ces dernières que pour leur transport. Ensuite elles demanderaient tout un système de gestion et contrôle de la charge et décharge, ainsi que les protections nécessaires. (Coûts supplémentaires) Je ne parlerai pas des abris et autres dispositifs incontournables. Enfin une batterie demande de l'entretien (Alors que la pompe et son système solaire, correctement installés n'en demandent pas, ou très peu.) Enfin les batteries ne sont pas éternelles et leur durée de vie, dans de telles conditions d'utilisation, ne dépasserait certainement pas les cinq ans (Au mieux avec d'excellente batteries ! Donc il y a lieu dans l'amortissement de prévoir aussi leur remplacement et leur nouveau transport).
Et ce n'est pas tout ! Les batteries imposent pendant la charge une tension environ 30% supérieure à leur tension de repos, ces 30% seront perdus. Enfin le rendement de 80% des batteries au plomb (pour les batteries solaires stationnaires) moins pour les autres modèles, entraînent encore 20% de pertes supplémentaires lors de la décharge, il faudrait donc 50% de modules en plus pour la même quantité d'eau pompée. (Exactement 47%)
A supposer que l'on désire faire fonctionner une pompe solaire nuit et jour : Le meilleur système serait de fonctionner 8 heures en solaire direct. (Pompe parfaitement normale qui nécessiterait par exemple 10 modules solaires. Ensuite il faudrait 2 fois 10 modules + 50% soit 30 modules solaires de plus pour recharger le parc de batteries pendant le jour et faire fonctionner les pompes pendant la nuit. On peut admettre qu'une pompe avec batteries fournirait le m3 d'eau à un prix cinq à six fois supérieur par rapport à un système solaire direct! Encore une fois, l'électricté produite par les modules solaires ayant servi à faire tourner la pompe, n'est plus disponnible pour charger en même temps les batteries!
La production moyenne de ce champ de module pourrait être en été (A Marseille, France, en supposant qu'il s'agisse de modules de 60W) 60x10x3x5 = 9 kW environ, qu'il faudrait stocker à raison de 60% de la capacité de la batterie, soit un parc de 150 volts, sous une intensité de 100 Ah (Pour un jour d'autonomie, ce qui définirait une durée de vie, dans ces conditions, de moins d'un an) pour un poids de 250 Kg environ. Pour environ 3 à 6 ans de durée de vie, la capacité passerait à 650 Ah, 75 éléments stationnaires de 2 Volts, soit un poids de 2.625 Kg, pour un prix au départ usine d'environ 18.000 Euros, (Tarif Janv 2003)
Comme quoi il est toujours préférable de faire simple. Et c'est aussi plus simple à entretenir et à réparer!
La pompe solaire Grundfos SQflex marque une véritable révolution dans la gamme des pompes à eau solaires. Entièrement réalisée et conçue pour cette utilisation, elle relève d'une technologie particulièrement innovante, inconnue dans la technique des pompes actuelles. C'es pompes solaires sont régulièrement utilisées, aussi bien pour l'adduction d'eau que pour l'irrigation ou l'arrosage.
Les principales innovations résident dans la technologie de l'onduleur triphasé alimentant la pompe. Cet onduleur fréquence et tension variables, piloté par microprocesseur, ultra miniaturisé, tient dans le moteur de la pompe ! Plus d'onduleur externe ! Mais encore mieux, la technologie de ce moteur (fréquences élevées) permet d'en réduire la taille (à puissance égale) et la correction du cos phi (1 !) permet d'en améliorer le rendement d'environ 20%. Enfin cette pompe est capable de fonctionner sous une large plage de tensions (30 à 300V continu et 90 à 240 V CA) Traduction : elle fonctionne aussi bien sur un groupe électrogène* que sur les modules solaires, ceci sans aucune modification. Enfin la boîte de dérivation fournie avec votre pompe permet de façon simple d'accepter de 3 à 8 modules ou de 3 à 16 modules solaires suivant sa conception, et il est très facile, dès lors, de rajouter un ou plusieurs modules solaires, pour augmenter le débit de votre pompe, ceci sans aucune autre modification.
* Un groupe électrogène de bonne qualité, sinon risque de destruction de l'électronique par sur-tension, non couvert par la garantie!
La boîte de dérivation
Elle assure la mise en série correcte des modules solaires, par groupe de 8 ou 16. (Suivant la demande ou à défaut les besoins) Des petits ponts (straps) shuntant les bornes inutilisées, il suffit de le retirer et de brancher un nouveau module pour augmenter la puissance de la pompe, qui doit cependant rester dans la limite de 300V CC maximum, 1500Watts et 7 Ampères. Le dépassement des ces paramètres pouvant causer la destruction de l'ensemble moteur et onduleur de la pompe à eau, cet état de fait n'étant pas couvert par la garantie.
Dans une pompe solaire de la série Sqflex les modules solaires sont tous placés en série, ou série parallèle. C'est le rôle de la boîte de dérivation série. Laquelle est d'origine prévue pour des modules solaires de tension 17.5V au MPP avec une intensité inférieure 7A. (3 à 5A préférentiellement, afin de diminuer les sections de câble; 2.5mm² dans ce cas et 4mm² à 7A, pour des longueur n'excédant pas 100m.)
Plus il y a besoin d'eau, ou plus la hauteur manométrique est importante, plus il faut mettre de modules solaires, et certaines pompes faisant appel à une puissance respectable de modules solaires, se voient avec des modules inutilisées une partie de la journée. (Généralement entre 11 et 15 heures)
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Sur demande un convertisseur électronique spécial permet de récupérer l'énergie inutilisée par le système pendant les phases d'arrêt du pompage, que la commande en soit manuelle ou automatique. |
Cette fonction permet d'utiliser la partie des modules de la pompe inutilisés, pour recharger des batteries (12-24-48 Volts), ceci pendant l'arrêt de la pompe, temps pendant lequel les modules sont inutilisés. Cette option s'applique donc à toutes les pompes remplissant un réservoir, ou à celles inutilisées une partie de l'année (comme les pompes de piscine ou les pompes destinées à l'arrosage, par exemple)
Dans certaines installations, il devient alors extrêmement intéressant de réunir un maximum de modules pour faire fonctionner au mieux la pompe, modules qui rechargeront les batteries dès son arrêt. Mais aussi la possibilité de plusieurs groupes de capteurs solaires, un groupe pour la pompe et un pour une autre utilisation (Éclairage par exemple) le groupe pompe venant se rajouter à ce dernier pendant son inutilisation.
Dans les deux cas l'intérêt est évident : plus d'eau, plus d'électricité !
Les modules solaires
De type cristallins, de puissance comprise entre 50 et 100Wc, ils sont montés sur la structure aluminium, livrée avec votre kit et raccordés sur les diverses entrées de la boîte de dérivation (Généralement un module par entrée) Les entrées inutilisées sont mise en court-circuit par un petit pont en cuivre qui doit rester en place, sauf si un nouveau module supplémentaire occupe le dit bornier. La sortie de la boîte de dérivation va directement à la pompe, par l'intermédiaire d'un câble de section appropriée (Livré normalement avec le kit). Les interrupteurs IO100, IO101ou le coffret CU200 (Grundfos) placés sur ce câble sont généralement utilisées pour mettre en route et arrêter la pompe (L'IO101 lorsqu'un groupe électrogène sera présent). De même un interrupteur à flotteur peut être utilisé pour commander automatiquement la mise en route ou l'arrêt de la pompe à eau (CU200 Uniquement), lorsqu'un bassin ou un réservoir est plein ou vide.
Ils sont choisis au mieux au moment de l'élaboration du kit, en fonction de la puissance nécessaire calculée et des disponibilités. Le meilleurs choix consistant à réduire l'intensité, tout en conservant la tension minimum déterminée en fonction de la hauteur manométrique totale. Ce choix agissant sur les pertes électriques dans le câble immergée, lequel peut alors atteindre de grandes longueurs. Les modules solaires de type cristallins seront choisis de préférence, en tenant compte de leur garantie, généralement 25 ans. Attention au modules solaires inadaptés (Grid connected systems) Ils peuvent être la cause de dommages irréparables et peuvent dans certains s'avérer dangereux.
Le fonctionnement d'un module ou panneau solaire.
La pompe
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Gammes de pompes solaires SQ-flex Grundfos. A gauche : gros débit, faible HMT. A doite : petits débit HMT élevée (Jusqu'à 200m)
Pompes solaires à Courant continu de petites puissances
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Elle est livrée complète, avec son moteur assemblé, le modèle est différent suivant les débits et les hauteurs manométriques désirés. Le calcul de dimensionnement précédemment effectué a fait apparaître une puissance de modules solaires à mettre en place, qui correspond exactement à vos besoins, compte tenu de la hauteur manométrique et du débit désirés, des pertes électriques et hydrauliques dans les câbles et les tuyaux (en fonction des longueurs et sections), des données météorologiques locales, compte tenu de la saison d'utilisation et de bien d'autres paramètres de moindre importance. Cette pompe est calculée pour un besoin précis et toute autre utilisation que celle prévue, sera automatiquement sanctionnée par un rendement plus faible, éventuellement un refus de fonctionner (Comme toutes les pompes, quelle qu'elles soient) mais si c'est moins visible quand on est raccordé sur un réseau de distribution ou on peut acheter du courant électrique à volonté, ici la quantité disponible a été fixée, lors du dimensionnement. L'utilisation du coffret IO101 permet à la pompe de fonctionner également sur un groupe électrogène 220V.
Les accessoires :
Ils dépendent bien évidemment de l'utilisation désirée, c'est la raison pour laquelle ils sont toujours proposés à titre indicatif, en option, non chiffrée, dans les devis proposés. Sans un plan précis de l'installation et de données parfaitement claires, il est impossible de connaître les longueurs exactes des câbles électriques, tuyaux d'exhaure ou de savoir si un contrôleur de niveau à flotteur, un obturateur de forage ou un compteur d'eau sont nécessaires*.
Dans la mesure ou tous ces renseignements nous sont fournis, il nous est possible de livrer des kits absolument complets avec tous leurs accessoires. et comme d'habitude un kit livré complet, l'est toujours avec sa garantie de fonctionnement.
* Petit aparté sur cet article apparemment inoffensif, il représente une perte de débit notable, surtout s'il est sous-dimensionné par rapport au débit maximum de la pompe. Il peut être interressant pour contrôler le débit, mais doit être mis hors course, si non absolument nécessaire. Utiliser toujours un compteur avec un débit affiché bien supérieur au débit maximum de la pompe solaire.
