L'énergie solaire électrique est produite lorsque des cellules photovoltaïques (PV) convertissent l'énergie solaire en électricité, qui alimente ensuite généralement une pompe submersible ou de surface pour extraire l'eau brute. Les systèmes de pompage solaire (SPS) doivent être combinés avec un réservoir de stockage d'eau surélevé (ou, si cela est inévitable, avec des batteries) pour stocker l'énergie, assurant ainsi un approvisionnement continu en eau les jours nuageux et la nuit.

Les cellules photovoltaïques sont généralement fabriquées à partir de silicium et disposées ensemble sous une plaque de verre protectrice pour former un module photovoltaïque. Généralement, plusieurs de ces modules sont disposés dans un champ photovoltaïque, le nombre total dépendant de la quantité d'eau à fournir par jour, de la charge dynamique totale du système d'approvisionnement en eau et de l'énergie solaire disponible. La quantité moyenne d'énergie solaire généralement disponible dans une zone au cours d'une journée est appelée « heures de pointe de soleil », qui diffère des « heures de lumière du jour », car l'intensité solaire change au cours de la journée. Par exemple, dans les zones avec une moyenne de huit heures de lumière du jour, les heures de pointe de soleil moyennes peuvent être beaucoup plus faibles. Il est important d'identifier les heures de pointe moyennes annuelles et saisonnières du soleil pour décider si les panneaux solaires sont une source d'énergie réalisable dans une région. Moins il y a d'heures de pointe de soleil disponibles, plus les coûts d'investissement sont élevés, car un plus grand nombre de modules photovoltaïques est nécessaire. En règle générale, les SPS ont besoin d'heures de pointe de soleil d'au moins 3 à 4 kW/m² pour être une option viable pour l'approvisionnement en eau de la communauté.

Considérations sur la conception

Mis à part l'emplacement géographique, les heures de pointe de soleil et l'espace disponible sur le site, les autres considérations pour la conception du SPS sont les mêmes que pour tout système d'approvisionnement en eau alimenté par un générateur ou par le réseau (par exemple, rendement sûr du point d'eau, rabattement et hauteur manométrique totale). Les panneaux solaires doivent être complètement exposés au soleil pour produire le maximum d'électricité solaire. L'électricité produite par l'énergie solaire les jours nuageux est considérablement réduite (généralement de 25 à 40 % par rapport aux jours ensoleillés). Pour maximiser le rayonnement direct, les panneaux solaires doivent être solidement montés sur un support incliné, face à l'équateur et à un angle d'inclinaison égal à la latitude de l'emplacement, dans une zone sans arbres ni bâtiments à proximité pour éviter les ombres sur les panneaux. Les panneaux solaires doivent également être protégés des vents forts, des orages, des chutes d'objets (par exemple, des branches d'arbres) et du vol.

Il existe de nombreux paquets de logiciels disponibles pour aider à la conception de systèmes à Énergie solaire. Ces logiciels calculent tous les facteurs et emplacements géographiques et proposent des conceptions, y compris la disposition et la puissance des panneaux solaires, les tailles de câbles, les modèles d'onduleurs ou de boîtiers de commande, les pompes et l'équilibre des composants des systèmes. Ces solutions logicielles garantissent également que les performances et les caractéristiques électriques des composants soient adaptées afin d’assurer les sorties électriques et hydrauliques attendues. L'électricité produite par les systèmes photovoltaïques est sous forme de courant continu (CC). Pour les moteurs à courant alternatif (CA), des onduleurs doivent être installés pour changer l'alimentation de CC à CA. Les onduleurs standard doivent être évités au profit d'un entraînement à fréquence variable (EFV), qui fera varier la tension et la fréquence requises (convient aux petites pompes monophasées sans condensateurs de démarrage ou à toute pompe triphasée).

Matériaux

Les panneaux solaires de bonne qualité, onduleurs, boîtiers de commande, pompes à eau, tuyaux et composants d'équilibre du système (câbles, interrupteurs, etc.) peuvent être trouvés dans la plupart des pays. En raison de la prolifération des matériaux solaires contrefaits et peu performants (en particulier les panneaux solaires), il est de la plus haute importance de s'assurer que les composants achetés soient fabriqués conformément aux spécifications et aux normes internationales pertinentes pour garantir une fonctionnalité longue et correcte.

Applicabilité

Dans un contexte d'urgence, il est possible d'accélérer efficacement le processus d'installation du SPS en équipant les forages à pompe manuelle existants, ce qui est faisable lorsque le rendement du forage est suffisant pour desservir le nombre ciblé de bénéficiaires et que les spécifications techniques du forage sont connues. La portée de l'application du SPS pendant la réponse aiguë s'améliore considérablement avec l'utilisation de kits de pompage solaire d'urgence qui contiennent tous les composants nécessaires. Les SPS sont applicables pour un large éventail de besoins en eau. Un seul projet de SPS peut approvisionner des communautés de 50 ménages jusqu'à des villages ou des camps entiers de plus de 100 000 personnes. Étant donné que les SPS sont capable de pomper les eaux souterraines de 5 mètres à 500 mètres de profondeur (« charge de la pompe ») et avec des onduleurs conçus pour les applications de pompage solaire afin de correspondre aux pompes de plus de 210 kW, presque tous les systèmes d'approvisionnement en eau dans un contexte humanitaire peuvent être adaptés à l'énergie solaire. Les Réservoirs de stockage d'eau D.5 , D.6 doivent être inclus dans le système d'eau pendant les périodes où la pompe ne fonctionne pas (par exemple, pendant les jours nuageux et la nuit) ainsi que pour équilibrer les fluctuations quotidiennes de la demande. Dans la conception de SPS, le volume du réservoir de stockage couvre généralement au moins deux jours d'approvisionnement en eau pour la communauté, le réservoir agissant comme une batterie pour fournir de l'eau par gravité lorsque cela est nécessaire. Si un stockage d'eau suffisant en altitude n'est pas disponible, différentes options d'alimentation de secours existent. Cependant, les batteries réduisent l'efficacité du SPS et augmentent les coûts ainsi que les exigences de fonctionnement, d’entretien et de remplacement. Alternativement, un SPS peut être rendu hybride en combinant différentes sources d'énergie (par exemple, un réseau électrique ou un générateur diesel avec l’énergie solaire). Les pompes à Piston A.4 , à Cavité progressive A.5 , à Membrane A.6 et à Flux radial A.8 sont toutes disponibles en tant que pompes submersibles à énergie solaire de différents fabricants.

Fonctionnement et entretien

Alors qu'un panneau solaire de bonne qualité a une garantie de 25 ans et ne nécessite qu'un entretien simple, les batteries (le cas échéant), les onduleurs et les pompes nécessitent un entretien plus fréquent par des opérateurs qualifiés. Le système doit être inspecté occasionnellement pour vérifier le débit de pompage, l'état des panneaux, des réservoirs de stockage et des tuyaux. L'entretien consiste à nettoyer régulièrement la saleté et la poussière des panneaux et à protéger les panneaux des dommages causés par les animaux et les humains. Une clôture sécurisée doit être construite autour des panneaux solaires pour empêcher le vol ou le vandalisme. Pour assurer un entretien préventif régulier et des réparations rapides, l'établissement d'accords de service après-vente avec des entrepreneurs bien informés est recommandé. Un SPS bien conçu et entretenu peut fonctionner pendant plus de 10 ans sans aucun problème majeur.

Santé et sécurité

Les chocs électriques sont possibles dans les projets de panneaux solaires de multiples panneaux, de sorte que seuls les techniciens formés avec un équipement de protection adéquat devraient être autorisés à accéder les sites lorsque des réparations sont effectuées. Des interrupteurs CC doivent être installés aux points critiques du système pour isoler les différents composants et assurer la sécurité électrique.

Coûts

Les coûts d'investissement des SPS varient considérablement en fonction de la taille du système, allant de plusieurs milliers d'USD à plus de 100 000 USD, le panneau solaire étant généralement le composant le plus cher. Le potentiel élevé de réduction des coûts par rapport à d'autres technologies de pompage (en particulier celles basées sur le diesel) est réalisé si l'analyse est basée sur les coûts sur le cycle de vie du système plutôt que sur les coûts d'investissement de l'installation uniquement. Alors que les coûts d'investissement seront normalement plus élevés que ceux des systèmes de générateurs diesel équivalents, des études montrent que les SPS offrent un potentiel élevé de réduction des coûts au fil du temps, avec un retour sur investissement compris généralement entre 1 et 4 ans.

Considérations sociales et environnementales

Les SPS sont une technologie bien acceptée. En tant que source d'énergie renouvelable, ils réduisent le besoin d'énergie dérivée de combustibles fossiles, réduisant ainsi l'empreinte carbone du système et améliorant la qualité de l'air. Les SPS ont également un faible coût d'exploitation et le fonctionnement et l'utilisation sont simples et fiables.