Système de pompage photovoltaique pour l'irrigation d'une palmerie à Ouargla

ETUDE D'UN SYSTEME DE POMPAGE PHOTOVOLTAÏQUE POURL'IRRIGATION D'UNE PALMERAIE A OUARGLA

ETUDE D'UN SYSTEME DE POMPAGE PHOTOVOLTAÏQUE POUR
L'IRRIGATION D'UNE PALMERAIE A OUARGLA
A. DJAFOUR ¹ + et M.S. AIDA ²
¹Faculté des Sciences et Sciences de l'ingénieur, Laboratoire LENREZA
Université Kasdi Merbah Ouargla, B.P. 511, Ouargla 30000, Algérie
²Faculté des Sciences, Université de Constantine 25000, Algérie
E-mail : + ahdjafour@yahoo.fr
Résumé : La disponibilité d'une importante énergie solaire et la situation géographique de notre pays peut rendre l'application du pompage de l'eau par l'intermédiaire des pompes solaires photovoltaïques comme une solution très séduisante pour l'irrigation des surfaces agricoles et pour l'alimentation en eau potable en sites isolés. Le travail que nous présentons dans cet article fait l'objet d'une étude d'un système de pompage photovoltaïque qui peut être utilisé pour l'irrigation dans une région saharienne (Ouargla – Algérie). Pour la réalisation de ce travail nous considérons l'interaction de quatre sous systèmes : le climat, les caractéristiques des plantes, les caractéristiques de sol et le système photovoltaïque. Nous procédons de la façon suivante :
1. Calcul de l'irradiation solaire moyenne journalière sur le plan des modules à partir des données de l'insolation moyenne mensuelle pour une période de 7 ans.
2. Détermination des besoins journaliers en eau des cultures (les palmiers dattiers) et avec l'utilisation des techniques modernes d'irrigation.
3. Choix de configuration de notre système de pompage photovoltaïque.
4. Dimensionner le générateur photovoltaïque.
Abstract : The availability of an important solar energy and the geographic situation of our country, offer the appropriate solution to supply water for irrigation and drinking in remote region. The object of this work is to study a photovoltaic system, of water pumping for irrigation in arid region (Ouargla-Algeria). The analysis considers the interaction of four subsystems: local climate, irrigated crops, soil and photovoltaic pumping equipment. We process with the following way:
1- Estimating the value of daily mean solar irradiation on the panel surface, by knowledge the monthly mean value of the sunshine duration at the site for a period of 7 years.
2- Determination of the daily water needs for the crop (date palm), by using modern irrigation technique.
3- Selecting the configuration of the photovoltaic pumping system.
4- Size the photovoltaic generator.
Mots Clés : Energie solaire photovoltaïque, Pompage d'eau, Irrigation
I. Introduction
L'Algérie vaste pays d'une superficie de 2.381.740 km², doté de potentialités naturelles importantes (des terres fertiles et riches en eau, nappes fossiles non renouvelables) faiblement exploitées et un potentiel énergétique solaire des zones arides dépassant les 2 MWh/m²/an [1], encourage l'utilisation de l'énergie solaire pour le pompage d'eau d'irrigation. Dans ce travail l'étude présentée concerne l'élaboration d'un système utilisant l'énergie solaire photovoltaïque pour le pompage de l'eau pour l'irrigation dans une région saharienne (aride) Ouargla en Algérie. Pour l'élaboration de ce travail nous avons considéré l'interaction de quarte sous système le climat, le système photovoltaïque, les plantes et les caractéristiques du sol, voir la figure N°1.

La balance de l'eau néglige l'eau des pluies à cause de déficit de pluie habituel dans la région du sud (environs 50mm/an). Par conséquent la seule source d'eau est le pompage ; le sol peut contribuer par sa capacité de stockage.
II. Description du système d'irrigation
II.1. Le climat local
Les paramètres climatiques (les températures, le vent, l'humidité relative, les précipitations, etc..) sont les facteurs les plus déterminants des productions végétales. Ces facteurs ont une action directe sur les cultures et leurs besoins en eau d'irrigation. Les valeurs de ces paramètres sont données par l'office national météorologique de Ouargla. Ces paramètres nous permettent de situer la région d'Ouargla dans l'étage saharien à hiver doux avec une période sèche qui débute de Janvier à Décembre.
II.2. Les sols de la région et l'eau d'irrigation
Le sol est un réservoir d'eau dont la grandeur est donnée par ses propriétés physiques et la profondeur utilisable par les racines. Ouargla est une région caractérisée par des sols légers à prédominance sableuse. Ils sont caractérisés également par un faible taux de matière organique, un pH alcalin, une faible activité biologique, une forte salinité et une bonne aération [2].
Suite à des études préliminaires [3], l'analyse granulométrique de la parcelle considérée a permis de classer notre sol comme un sol à texture sablo-limoneux. Compte tenu de la nappe d'eau située sur le site, les volumes nécessaires pouvant être pompés, le puits utilisé est à un niveau dynamique de 16 mètres, avec un débit d‘exploitation de 30l/s et un niveau statique de 7.26 mètres.
Notre eau d'irrigation est caractérisée par une très haute teneur en sels et à teneur modérée en sodium [2].
II.3 Source d'énergie (le rayonnement solaire)
Pour déterminer l'irradiation solaire sur la surface des panneaux nous avons utilisé la relation suivante [4,5] :

Les résultats de calcul pour la région de Ouargla sont représentés dans la figure N°2 pour quatre inclinaisons 0°, (Latitude) °, (Latitude + 10) °, 60°, 90° des panneaux solaires.

II.4 Système d'irrigation et besoin en eau
A partir des données climatiques de la région de Ouargla, nous avons calculé L'ETP (Evapotranspiration potentielle) pour chaque mois, en utilisant la relation de Blany-Criddle modifiée par l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture (F.A.O, 1983)[6].
L'expression s'adapte bien pour les régions arides et semi-arides. Cette évapotranspiration est définie comme suit :
ETP = a*F + b (2)
Où :

  • ETP : Evapotranspiration potentielle (mm) ;
  • F : Force de blanney-criddle ;
  • a, b : Coefficients de correction, fonction de l'humidité relative, vitesse du vent et l'insolation.

Le calcul de l'ETP de référence a été effectué, en utilisant la formule de la méthode de Blany-Criddle modifiée par le FAO, présentée précédemment, et aussi avec le logiciel (cropwat) version (5) réalisé par le service des eaux de l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO). Les valeurs calculées de l'ETP sont représentées sur la figure (3).

En tenant compte de la salinité des eaux de la région et du rendement de la méthode d'irrigation, nous avons calculé les besoins mensuels journaliers en eau d'un hectare de palmier adulte à Ouargla, par l'équation suivante établie à partir de [7-10].

La figure N°4 montre bien que les techniques d'irrigation modernes et plus particulièrement celles d'irrigation localisée ou (micro irrigation), sont d'une bonne efficacité et présentent des rendements élevés et stables. Ils permettent ainsi une économie d'eau assez considérable.
III. Dimensionnement du générateur
III.1 Le système de pompage photovoltaïque utilisé
Parce qu'il est souvent plus économique de construire un réservoir pour stocker l'eau plutôt que stocker l'électricité dans les batteries, le moteur d'une pompe solaire fonctionnera habituellement au fil du soleil. Dans ce cas ; notre système contient les éléments suivants : générateur photovoltaïque, onduleur à fréquence variable, groupe moto-Pompe immergé, et réservoir de stockage [13, 14].
III.2. Les paramètres descriptifs
Pour le dimensionnement d'un système d'irrigation photovoltaïque, on part des besoins en eau de la surface à irriguer, c'est à dire Qj (m³/jour) sur le site où la hauteur manométrique totale à assurer (Hmt) et où l'irradiation globale journalière moyenne dans le plan des modules est de Ei (kWh/m².j), pour avoir à la fin la taille nécessaire du générateur photovoltaïque [15].
III.3. La puissance crête du générateur
La puissance crête du générateur (Pc) en kW est donnée par l'équation suivante [15] :

IV. Résultats et discussions :
Les puissances crêtes de générateur calculées par la formule N°4, pour chaque moi avec les inclinaisons (0°, (Lat) °, (Lat + 10) °) ,60°, 90° sont représentées sur la figure(5).

Pour satisfaire les besoins journaliers en eau durant tout le cycle, la puissance crête minimale à installer sera d'après la figure(5), Pc = 1.685 KWc avec deux inclinaisons des panneaux par année, (Lat +10) ° de septembre à mars et (0°) d'avril à août.
Le nombre de modules nécessaires est NT = 1685/53 = 31.79 ; soit 32 modules avec une superficie totale des modules installés de 13.63 m² et une puissance crête de 1696 Wc.
Les volumes pompés avec l'installation de 1696 kWc
Pour une puissance crête installée de 1696 kWc durant toute l'année, nous aurons des quantités d'eau supplémentaires pompées dans les mois où la demande en eau des palmiers faible, voir la figure (6).

Pour résoudre le problème des eaux supplémentaires pompées, qui ont une valeur moyenne de 7000 m³/an, on propose trois solutions :
Première solution :
Le changement de surface de générateur ou le changement de l'inclinaison suivant la demande mensuelle. Cette solution exige des compétences spécifiques en matériel ; ceci n'est pas économiquement rentable, puisque l'utilisateur doit acheter le générateur de 1696 kWc sans l'exploité au maximum.
Deuxième solution :
Nous calculons la puissance crête à partir des valeurs moyennes journalières annuelles des volumes d'eaux et d'irradiations moyennes journalières annuelles sur les plans des panneaux. Avec la possibilité de stocker l'eau pendant les mois d'hiver pour récupérer le manque d'eau pendant l'été. Cette solution exige la construction des réservoirs avec une grande capacité. Vue le prix de construction élevé des réservoirs, cette solution n'est pas rentable.
Troisième solution :
Nous laissons la puissance installée sans changement, mais pour les mois qui ont des demandes d'eau des palmiers inférieures à la quantité pompée par le système nous proposons l'implantation d'autre culture, par exemple les cultures sous serre comme le poivron. Ces cultures ont leur cycle de végétation entre octobre et mai et nécessitent une quantité d'eau dans l'ordre de 7002.7 m³/ha/an [17].
Nous adoptons la troisième proposition qui est la plus efficace. Pour une puissance crête de 1696 kWc, on peut irriguer un hectare de palmier dattier plus un hectare de poivron sous serre dans la région de Ouargla avec deux inclinaisons par année.
V. Conclusion
Les principales conclusions de ce travail sont :
1 – Les quantités d'eau d'irrigation sont très variables et dépendent particulièrement du type de culture, du climat locale, du type de sol et de la technique d'irrigation. Parmi ces techniques la plus adaptée avec le pompage solaire est la micro irrigation.
2 – La configuration de système de pompage sans stockage d'énergie (pompage au fil de soleil) avec stockage de l'eau et la meilleure façon de diminue le prix du système et d'utiliser les quantités d'eau pompées de façon rationnelle.
3- Pour l'irrigation des palmiers, l'implantation d'autre culture saisonnière avec les palmiers permet une meilleure corrélation entre la quantité d'eau pompée et celle consommée.

Références
[1] Algérie énergie ;'Revue du ministère de l'énergie', N°2 ; Août, 1983.
[2] T. Halilat ; 'Etude de la fertilisation azotée et potassique sur blé dur (Variété Aldura) en zone saharienne (région de Ouargla)' ; Mémoire de Magister ; Université de Batna, 1993.
[3] H. Lahmar ; ‘Cartographie des sols de l'exploitation de L'I.N.F. SAS (Ouargla) : étude pédologique et thématique' ; Mémoire d'ingéniorat d'état ; I.N.F.A.S Ouargla, 1993.
[4] W. A. Beckman et J. A. Duffic ; ‘Solar engineering of thermal processes' ; A Wiley-Interscience Publication, 1980.
[5] K. Messaitfa ; ' Evaluation de l'apport quantitatif des inclinaisons optimales d'un système de pompage photovoltaïque' ; Enersole 01, Adrar – Algérie, 2001.
[6] Wolfram Achtnich Bewasserungslandbau ; ‘Agrotechniscal grundlegen der bewasserungs wirtschaft' ; Verlag Eugen Ulmerstuttgart, 1979.
[7] Congres sur les énergies renouvelables ; C.E.M.E ; pp12 – 18 ; Biskra, 1997.
[8] C. Ollier et M. poirée ; ‘Irrigation, les réseaux d'irrigation théorie, technique et économie des arrosages‘ ; Eyrolles ; Paris, 1983.
[9] Naum Fraidenraich, Heitor et S.costa ; ‘Procedure for the determination of the maximum surface which can be irrigated by a photovoltaic pumping system'; Solar and wind Technology ; Vol. 5, N°2, pp121-126, printed in Great Britain, 1988.
[10] Zvonimir Glasnovic et Jure margeta ; ‘A model for optimal sizing of photovoltaic irrigation water pumping systems' ; Solar energy 81, pp 904 – 916, 2007.
[11] G. Toutan ; ‘Elément d'agronomie saharienne de la recherche au développement' ; France, 1979.
[12] Daniel Dubost ; 'Pratique de l'irrigation au Sahara' ; commissariat régional de développement Agricole ; Tozeur, Novembre 1994.
[13] A. Djafour ; ‘Etude d'une station de pompage photovoltaïque dans une région saharienne' ; Mémoire de magistère ; Université de Ouargla, 2000.
[14] R. Maouedj ; ‘Application de l'énergie photovoltaïque au pompage hydraulique sur les sites de Tlemcen et de Bouzareah' ; Mémoire de magistère ; Université de Tlemcen, 2005.
[15] B. Chabot ; ' Détermination des caractéristiques d'un système de pompage de l'eau' ; Revue de l'énergie ; pp. 248-253, 1996. [16] ‘World Biggest solar photovoltaic catalogue'; Hand in Hand with solar energy ; Federal Republic of Germany, 1996.
[17] M.T. Benharzallah ; ‘Essai de différentes doses d'engrais azotés (fumure de couverture) sur poivron sous serre dans la région de Ouargla' ; Mémoire d'ingéniorat d'état ; I.N.F.S.S Ouargla, 1989.
[18] C. S. Sinha et VVN Kishora ; ‘Economics of photovoltaic systems' ; Renewable energy utilization scope, economics and perspectives ; Tata Energy Research institute, 1991.