Évaluation de la fiabilité et des performances d'un solaire photovoltaïque

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14174 (2023) Citer cet article

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Le fonctionnement et l’efficacité d’un système de pompage d’eau souterraine alimenté par l’énergie solaire sont affectés par de nombreux facteurs environnementaux et techniques. L'impact de ces facteurs doit être étudié pour être pris en compte lors du développement de ces systèmes et pour garantir leur fiabilité. Cette étude a évalué la fiabilité et les performances du système de pompage d'eau photovoltaïque (PVWPS) dans des conditions de fonctionnement réelles en examinant les effets de l'irradiation solaire, de la température des panneaux et de l'efficacité des composants. De décembre 2020 à juin 2021, des expériences ont été menées sur un PVWPS de 10 ch situé à Bani Salamah, dans le gouvernorat d'Al-Qanater-Gizeh, en Égypte, à 30,3° de latitude N, 30,8° de longitude E et à 19 m d'altitude. Les valeurs d'irradiation ont atteint 755,7, 792,7 et 805,7 W/m2 à 12h00 en décembre, mars et juin respectivement. De plus, l'irradiation a un impact significatif sur le débit de la pompe, puisque la quantité d'eau pompée pendant la journée a atteint respectivement 129, 164,1 et 181,8 m3/jour. Les températures des panneaux ont atteint respectivement 35,7 °C, 39,9 °C et 44 °C. Il a été observé que lorsque la température augmente de 1 degré Celsius, le rendement diminue de 0,48 %. Le rendement moyen des panneaux solaires photovoltaïques a atteint sa valeur la plus élevée en mars (13,8%) et sa valeur la plus basse en décembre (13%).

La demande d'électricité a augmenté en raison de l'augmentation rapide de la population mondiale et de la technologie. L’utilisation de combustibles fossiles, qui entraîne le rejet d’une quantité importante de CO2 dans l’atmosphère, est l’un des facteurs ayant un impact significatif sur le changement climatique. En raison de ces facteurs, de nombreux pays ont commencé à utiliser une forme d’énergie propre, accessible, renouvelable et durable (principalement l’énergie solaire)1,2. Les pompes à moteur diesel sont couramment utilisées pour l'irrigation. Cependant, en raison de l'augmentation du prix du pétrole sur le marché international, des émissions nocives provenant de sa combustion, des coûts de maintenance élevés et d'une durée de vie courte, les fabricants ont été contraints de trouver une alternative. L'utilisation d'énergies renouvelables peut réduire le besoin de combustibles fossiles. L’énergie solaire étant largement disponible, même dans les zones reculées, elle constitue une alternative viable aux pompes à eau alimentées au diesel3,4. L’énergie solaire est une source d’énergie renouvelable et respectueuse de l’environnement, sans effet négatif sur l’environnement par rapport aux sources de combustible fossiles pour la production d’énergie, et l’énergie peut être utilisée dans les zones rurales où l’électricité n’est pas facilement accessible. Il s’agit de l’une des sources d’énergie renouvelables les plus importantes pouvant être exploitées pour produire de l’énergie électrique, qui peut ensuite être utilisée comme source d’énergie pour entraîner une pompe à eau électrique à des fins d’irrigation5,6. L'énergie du rayonnement solaire est principalement utilisée pour créer de l'énergie thermique et électrique. Il s'agit d'une méthode de substitution pour produire de l'électricité pour un plus large éventail d'utilisations industrielles ainsi que dans d'autres domaines tels que les applications dans le bâtiment, les produits de stockage des aliments et les utilisations agricoles pour alimenter des pompes, des moteurs et différents appareils industriels tels que des ventilateurs et des réfrigérateurs7. 8. L'utilisation d'un système photovoltaïque autonome (la nomenclature est illustrée dans le tableau 1) dans le secteur de l'agriculture pour l'irrigation devient de jour en jour plus populaire dans le monde. L'utilisation de l'énergie solaire garantit l'utilisation d'énergie verte dans le système9,10. L'Égypte reçoit beaucoup de rayonnement solaire direct car c'est un pays situé dans la ceinture solaire, avec des quantités annuelles allant de 2 000 à 3 200 kWh/m2 du nord au sud. La durée d'ensoleillement varie de 9 à 11 h, avec quelques jours nuageux tout au long de l'année11,12. Les systèmes de pompage à énergie solaire fournissent de l’eau pour une variété d’usages, y compris l’usage domestique et pour répondre à la demande en eau dans le domaine de l’irrigation, de l’abreuvement du bétail et de l’approvisionnement en eau des villages10,13. Un générateur d'énergie photovoltaïque, des convertisseurs de puissance, un moteur électrique et une pompe sont les composants d'un système de pompage d'eau à énergie solaire14,15. L'énergie solaire peut être utilisée thermiquement en utilisant des capteurs solaires thermiques pour le chauffage et le séchage, ou photovoltaïque en convertissant la lumière du soleil en électricité à l'aide de cellules solaires constituées de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium. Les panneaux solaires, également appelés panneaux photovoltaïques, sont fabriqués en connectant des cellules solaires en série. Les deux types ont de nombreuses applications en milieu agricole, facilitant la vie et contribuant à augmenter la productivité. L'électricité produite par l'énergie solaire peut ensuite être utilisée pour alimenter la pompe à eau ou stockée en pompant de l'eau dans un réservoir surélevé pendant la journée et en la distribuant par gravité après la tombée de la nuit. Une batterie sera nécessaire pour stocker l’énergie générée pendant la journée pour les applications électriques la nuit16,17. Il existe deux méthodes pour pomper de l’eau avec un système photovoltaïque : L’énergie solaire est consommée « en temps réel » dans la première technique, appelée « pompage au soleil ». Cette solution nécessite de stocker l'eau dans un réservoir (l'eau pompée pendant la journée est stockée pour être utilisée plus tard le soir par exemple). La deuxième technique consiste à utiliser des batteries pour stocker de l’énergie. L’énergie stockée pendant la journée peut être utilisée pour pomper de l’eau plus tard18. La puissance de sortie d'un système photovoltaïque est affectée par un certain nombre de facteurs, notamment le rayonnement solaire, la température de la surface photovoltaïque, l'ombre, l'angle d'inclinaison et l'accumulation de poussière. La conception d'un système photovoltaïque doit prendre en compte un certain nombre de facteurs et de conditions environnementales, notamment l'angle d'inclinaison, l'irradiation et la température. Ces variables ont un impact significatif sur la puissance de sortie du PV19,20,21. Lorsque la température de surface des panneaux solaires augmente de 1 °C en été et en hiver, l’efficacité diminue respectivement de 0,48 % et 0,42 %22,23. La puissance de sortie d'un système photovoltaïque est affectée par un certain nombre de facteurs, notamment la température de la surface photovoltaïque, l'angle d'inclinaison et l'efficacité des composants du système. Ces facteurs doivent être recherchés et pris en compte lors de la conception et de l’exploitation d’un système photovoltaïque. Lorsque la surface du module PV est directement perpendiculaire aux rayons du soleil, l'énergie de sortie maximale d'une cellule PV est obtenue. Étant donné que l’orientation du tracker est orientée vers une irradiation maximale, il produit plus de puissance photovoltaïque que l’orientation horizontale24,25. Il a été remarqué que de nombreuses stations de pompage d'eau photovoltaïques, bien que bien conçues d'un point de vue technique, rencontrent ensuite des problèmes pendant le processus d'exploitation, et que les quantités d'eau pompées depuis la station sont inférieures aux prévisions. Cela est dû au manque d’attention portée aux facteurs environnementaux et techniques qui ont un impact négatif sur la station et ses performances. Par conséquent, l'objectif de ce travail était d'étudier la fiabilité et les performances du système de pompage d'eau souterraine alimenté par l'énergie photovoltaïque dans des conditions de fonctionnement réelles, d'étudier les facteurs d'impact négatifs sur le système photovoltaïque et de démontrer la possibilité de s'appuyer sur ce système comme solution sûre et alternative fiable aux systèmes énergétiques traditionnels qui sont coûteux et polluent l’environnement.