Brevet FR2722251A1 — publié le 19960112

STATION DE POMPAGE FONCIIONNANT A PARTIR DE L'ENERGIE SOLAIRE L'invention concerne les installations de pompage utilisant l'énergie solaire, plus particulièrement les installations implantées dans des zones isolées. De telles installations de pompage sont généralement utilisées dans des zones arides, à faible densité de population, telles que les zones semidésertiques où la distribution d'énergie revient à un coût prohibitif. Ce type d'installation d'électricité par énergie solaire, est souvent considéré comme fournissant une énergie "gratuite" par l'utilisateur, qui ne tient pas compte des frais de maintenance et d'entretien qu'elle engendre. I1 existe donc un besoin de mieux contrôler l'utilisation de telles installations de pompage, en incitant l'utilisateur à limiter ou du moins à maîtriser sa consommation, et en l'obligeant à participer au coût de l'entretien et de la maintenance de son installation, au prorata de sa consommation et du temps d'utilisation, selon une certaine péréquation. En outre, les périodes entre chaque visite de maintenance étant relativement espacées, il apparaît important que le fonctionnement de la station soit particulièrement bien géré pour éviter les risques d'altération par une utilisation trop prolongée ou par le fonctionnement dans des conditions climatiques augmentant les risques de pannes. I1 apparaît également que ce type d'installation doit être rendu inviolable, c'est-à-dire ne doit pas pouvoir fonctionner en dehors des conditions prévues par l'attribution de crédit de fonctionnement. L'objet de l'invention est de satisfaire ce besoin de nature technique et économique, en fournissant des moyens qui, tout en assurant la régulation souhaitable au fonctionnement de la station de pompage, permettent d'enregistrer ses principaux paramètres de fonctionnement et de quantifier une grandeur physique quelconque représentative de l'utilisation de l'installation en vue d'un paiement du service rendu, tout en étant incontournable. Cette station de pompage fonctionnant à l'énergie solaire comprenant - des panneaux photovoltaïques destinés à transformer l'énergie solaire en courant continu, - au moins une pompe entraînée par un moteur à courant alternatif, - un onduleur convertissant le courant électrique continu délivré par les panneaux photovoltaïques en courant alternatif pour l'alimentation du moteur de la pompe, se caractérise: - en ce qu'elle comprend un dispositif de gestion pour quantifier et mémoriser des paramètres représentatifs de l'utilisation de la station, ce dispositif ayant pour fonction de stopper le fonctionnement de l'onduleur et donc l'alimentation du moteur de la pompe en énergie électrique selon des critères d'utilisation fonctions de ces paramètres, - et en ce que l'onduleur, directement connecté aux panneaux photovoltaïques et associé au dispositif, contient des moyens interdisant son fonctionnement en présence de tout intermédiaire de stockage ou de transformation d'énergie électrique. Autrement dit, le contrôle du fonctionnement de la station est assuré par un dispositif dit de gestion, qui comporte à cet effet des moyens pour mesurer une ou plusieurs grandeurs physiques représentatives du fonctionnement de la station et qui, en fonction de cette utilisation et de paramètres préalablement intégrés autorise ou non le pompage. L'alimentation en énergie électrique de cette station se fait par des panneaux photovoltaïques aux bornes desquels est directement branché un onduleur, qui alimente en courant alternatif le moteur de la pompe, le fonctionnement dudit onduleur étant géré par le dispositif de gestion en question. L'installation est donc exempte de batterie ou tout autre élément de stockage d'énergie connecté entre les panneaux photovoltaïques et l'onduleur. La combinaison du dispositif de gestion et de l'onduleur permet d'obtenir, de manière recherchée, un ensemble inviolable, en ce sens que d'une part il est impossible de faire fonctionner l'installation à partir d'une autre source d'énergie que les panneaux photovoltaïques, et que d'autre part, le contrôle et l'autorisation de pompage sont assurés par le dispositif de gestion intimement associé à l'onduleur. Ce dispositif de gestion est avantageusement programmable. De manière préférée, les paramètres mesurés par le dispositif caractéristique sont choisis dans l'ensemble comprenant le débit de la ou des pompes, la pression d'eau dans les canalisations, l'ensoleillement, la température et les paramètres électriques caractéristiques du fonctionnement de la station. Dans une forme plus évoluée de l'invention, le dispositif supplémentaire est doté d'un sous ensemble de mémorisation apte à enregistrer les événements de fonctionnement et les paramètres mesurés, de sorte à faciliter la maintenance et à établir un historique du fonctionnement de la station. En d'autres termes, le dispositif de gestion caractéristique a la capacité d'enregistrer les différents paramètres de fonctionnement de la station. De cette manière, il est possible de garder un historique des incidents ainsi que les paramètres permettant de réaliser des diagnostics sur les pannes de l'installation. On peut également établir une liste des événements extérieurs ayant entraîné un dysfonctionnement de la station, comme l'épuisement des nappes phréatiques par exemple. Avantageusement, en pratique le dispositif apte à mesurer les paramètres de fonctionnement est alimenté en énergie électrique par les panneaux photovoltaïques. Ainsi, la fiabilité et la compacité de l'ensemble, et donc l'inviolabilité sont améliorées. Dans une forme pratique de réalisation, le dispositif de gestion caractéristique est intégré dans le tiroir électronique de régulation de l'onduleur. De manière préférée, le crédit alloué pour l'utilisation de la station est comptabilisée en fonction du durée de fonctionnement et de la quantité d'eau pompée. Dans une forme pratique de réalisation, l'autorisation de fonctionnement délivrée par le dispositif caractéristique est d'abord transmise par transfert de données entre un organe extérieur et ledit dispositif. De manière plus particulière, l'organe de transfert est un terminal de maintenance ou un système de télécommunications. En d'autres termes, le "recréditage" de la station, après une utilisation donnée, est effectuée par l'agent de maintenance qui branche un terminal à l'onduleur, accède au sous-ensemble de mémorisation responsable de la comptabilisation et qui réinitialise les compteurs. Ce "recréditage" est également possible à distance par transmission de l'autorisation à un système de télécommunications lui-même connecté au dispositif caractéristique. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique d'une installation de pompage typique. La figure 2 est un schéma représentant l'alimentation électrique de la station de pompage. La figure 3 est un schéma représentant les capteurs associés à l'onduleur. La figure 4 est un schéma représentant un exemple d'architecture des moyens de régulation de l'onduleur. Comme représenté à la figure 1, la station de pompage (1) est alimentée par l'énergie solaire. Un ensemble de panneaux photovoltaïques (2) convertissent l'énergie solaire captée en énergie électrique. Un onduleur (5), tel que par exemple commercialisé sous la dénomination "TSP 4000" par la société TOTAL ENERGIE est connecté aux panneaux photovoltaïques (2). I1 alimente un moteur électrique (4) couplé à une pompe (3), le tout étant installé à l'intérieur du tube de forage (21). En fonctionnement, la pompe (3) fait remonter l'eau par le tuyau (20) jusqu'en haut (22) du puits de forage et l'achemine vers un réservoir (23) d'où l'eau est ensuite distribuée vers des robinets (24). Comme représenté à la figure 2, les panneaux photovoltaïques (2) comprenant chacun un ensemble d'éléments (25) photovoltaïques mis en série, et qui génèrent un courant continu. L'ensemble (2) des panneaux est connecté à l'onduleur (5). Cet onduleur (5) a pour fonction de convertir le courant continu délivré par les cellules (2) photovoltaïques en courant alternatif triphasé afin d'alimenter un moteur alternatif triphasé (4). 1l fonctionne à fréquence variable, c'est-à-dire qu'il peut adapter la vitesse de pompage à la puissance disponible, fournie par les panneaux solaires (2). Comme on le voit en figure 2, le système fonctionne sans batteries ni organe de stockage d'énergie. Cette caractéristique permet de s'affranchir des problèmes d'usure et de vieillissement des batteries qui augmentent considérablement le coût de telles stations de pompage. Comme représenté à la figure 3, le dispositif (8) est relié à un ensemble de capteurs extérieurs permettant de déterminer les conditions hydrologiques et météorologiques des sites d'exploitation. Un capteur de débit (32) installé sur une canalisation (20) permet d'accéder à la quantité d'eau pompée. Il est réalisé de manière très simple et fiable par un émetteur d'impulsions (31) installé sur un compteur d'eau (30). Deux capteurs de pression (34,33) sont implantés d'une part dans le fond du forage (19), au niveau de la pompe (3) et d'autre part en sortie de forage (22). Cette configuration permet d'élaborer par différence, la hauteur manométrique totale qui correspond à la pression que doit vaincre la pompe (3) pour sortir l'eau au niveau du réservoir. La surveillance de ce paramètre permet de vérifier la stabilité des caractéristiques du forage et si la pompe (3) installée est correctement dimensionnée. Un capteur d'ensoleillement (37) constitué par une cellule étalon est connecté au dispositif (8). L'information qu'il délivre permet d'établir des statistiques concernant la "qualité" du site en terme d'ensoleillement. Enfin, un capteur de température ambiante (38) sert également à des fins météorologiques. Un certain nombre de capteurs internes à l'onduleur servent au pilotage et à la protection de l'onduleur proprement dit. Il s'agit de capteurs de tensions, courants et température interne de l'onduleur. Comme représenté à la figure 4, le dispositif carctéristique (8) et l'onduleur (5) sont intimement liés. Les fonctions de mesures, mémorisation et pilotage de l'onduleur sont réalisées sur des cartes électroniques faisant partie d'un même tiroir électronique (45). Ce tiroir (45) comprend - une carte à microprocesseur (40) responsable de la gestion de l'ensemble de l'installation, - une carte d'interface (11) transformant les signaux analogiques issus des capteurs (31,33,34,37,38) en signaux numériques exploitables par le microprocesseur (40) responsable de la régulation de l'onduleur - une carte de mémorisation (9) destinée à enregistrer les informations pertinentes, - et une liaison informatique (43). L'un des objets de l'invention est de permettre la mise en place d'un crédit de fonctionnement, destiné à permettre de faire face aux impératifs de coûts de maintenance et de remplacement de pièces. C'est dans ce but que l'onduleur (5) est programmé pour une durée de fonctionnement paramétrée à l'avance et correspondant à un paiement, ou pour une quantité également prédéterminée d'eau pompée. Au bout de cette durée ou après pompage de cette eau, l'onduleur (5) s'arrête et il n'y a plus d'eau disponible. Les utilisateurs sont prévenus à l'avance par des voyants clignotants et doivent s'acquitter d'un nouveau forfait pour continuer à disposer d'eau. Le recréditage est effectué par l'agent de maintenance chargé de la collecte des forfaits. Le dispositif associé à l'onduleur présente une sortie série type RS232 (43) sur laquelle se connecte le terminal de maintenance de l'agent constitué dans sa forme la plus simple par un micro-ordinateur portable (50). Grace à la capacité de dialogue du dispositif (8), il est possible à partir du micro-ordinateur de maintenance (50) de remettre à zéro les compteurs de consommation ou l'horloge d'utilisation et ainsi d'autoriser à nouveau le fonctionnement de la station de pompage (1). C'est également par le même moyen que l'agent de maintanance récupère les données captées ou mesurées par les différents capteurs, enregistrées dans le dispositif (8), plus précisément sur la carte de mémorisation (9). Bien évidemment le dialogue avec le dispositif (8) peut se faire à distance en équipant l'onduleur d'un MODEM (51) branché sur ligne téléphonique ou d'un équipement de liaison satellite (52). Le recréditage et la récupération des données se font alors dans un central de gestion des stations. En ce qui concerne la manière de comptabiliser l'utilisation de la station, plusieurs combinaisons sont possibles. Dans un premier cas de figure, on décompte la durée de fonctionnement de la station. Pour cela le tiroir électronique de régulation (45) comporte une horloge interne qui permet ce calcul. Dans une deuxième forme de gestion, on utilise l'information issue du capteur de débit (30) pour connaître la quantité d'eau pompée. L'utilisation est comptabilisée, dans ce cas, en terme d'eau consommée. La comptabilisation de l'utilisation se faisant par le microprocesseur (40) responsable de la marche de l'onduleur (5), rendant le système inviolable. En effet, il n'est pas possible de recréditer l'installation sauf à intervenir sur le microprocesseur, ce qui n'est possible que par des agents de maintenance utilisant les outils informatiques appropriés et dédiés uniquement à cette application. Les moyens de mesure, outre l'instauration d'un "péage" et l'établissement de statistiques météorologiques et hydrologiques, permettent de protéger le fonctionnement de la station par rapport à des événements extérieurs autres que des phénomènes électriques qui sont eux surveillés par des capteurs internes à l'onduleur. On peut citer par exemple, l'interruption du pompage en cas de trop faible pression dans le forage détectée par le capteur de pression. L'implantation dans le module de régulation (45) de l'onduleur d'une carte de mémorisation (9), permet d'enregistrer différents types de signaux. D'une part, comme décrit ci-avant, les mesures extérieures liées aux statistiques météorologiques peuvent être mémorisées pour dresser un bilan sur une période pouvant atteindre un an. D'autre part, les informations significatives du fonctionnement de l'onduleur (5) sont enregistrées pour faciliter la maintenance et le diagnostic en cas de panne. En effet, en cas de surcharge du moteur (4) par exemple, l'onduleur sera arrêté. Il est instructif de garder en mémoire la valeur des grandeurs électriques, en l'occurrence les courants envoyés au moteur, pour déterminer plus aisément l'origine de la panne. De même, lors de la visite annuelle de maintenance, l'agent peut établir une liste des incidents étant survenus depuis la dernière visite afin le cas échéant d'entreprendre des réparations pertinentes. En conclusion, il ressort de la description de l'invention que la station de pompage telle que présentée offre de multiples avantages. D'une part, elle permet de mettre en place de manière incontournable, une provision financière pour faire face aux dépenses de maintenance et d'entretien, et partant d'assurer la pérennité de l'installation. D'autre part, elle permet d'établir une surveillance et un suivi de l'installation par la mesure et l'enregistrement de grandeurs extérieures liées à l'hydrologie et la météorologie. L'utilisation de stations de pompage ne se limite pas aux cas décrits précédemment c'est-à-dire aux zones isolées arides, mais peut également être utilisé à des fins d'irrigation ou de maraîchage par exemple. REVENDICATIONS 1/ Station de pompage (1) fonctionnant à l'énergie solaire comprenant: - des panneaux photovoltaïques (2) destinés à transformer l'énergie solaire en courant continu, - au moins une pompe (3) entraînée par un moteur (4) à courant alternatif, - un onduleur (5) convertissant le courant électrique continu délivré par les panneaux photovoltaïques (2) en courant alternatif pour l'alimentation du moteur (4) de la pompe (3), caractérisée: - en ce qu'elle comprend un dispositif de gestion (8) pour quantifier et mémoriser des paramètres représentatifs de l'utilisation de la station (1), ce dispositif (8) ayant pour fonction de stopper le fonctionnement de l'onduleur (5) et donc l'alimentation du moteur de la pompe en énergie électrique selon des critères d'utilisation fonctions de ces paramètres, - et en ce que l'onduleur (5), directement connecté aux panneaux photovoltaïques (2) et associé au dispositif (8), contient des moyens interdisant son fonctionnement en présence de tout intermédiaire de stockage ou de transformation d'énergie électrique. 2/ Station de pompage selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif (8) est apte à mesurer des paramètres choisis dans l'ensemble comprenant le débit de la ou des pompes, la pression d'eau dans les canalisations, l'ensoleillement et la température. 3/ Station de pompage selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que le dispositif (8) contient un sous-ensemble de mémorisation (9) apte à enregistrer les événements de fonctionnement et les paramètres mesurés, de sorte à faciliter la maintenance et à établir un historique du fonctionnement de la station (1). 4/ Station de pompage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le dispositif de gestion (8) apte à mesurer les paramètres de fonctionnement est directement alimenté en énergie électrique par les panneaux photovoltaïques (2). 5/ Station de pompage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que dispositif (8) est intégré avec l'électronique de régulation de l'onduleur (5). 6/ Station de pompage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le crédit alloué pour l'utilisation de la station (1) est fonction de la durée de fonctionnement de la station (1). 7/ Station de pompage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le crédit alloué pour l'utilisation de la station (1) est fonction de la quantité d'eau pompée. 8/ Station de pompage selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'autorisation de fonctionnement de l'onduleur (5) se fait par transfert de données entre un organe extérieur (10) et le dispositif (8). 9/ Station de pompage selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'organe (10) de transfert de données est constitué par le terminal informatique (50) d'un agent de maintenance ou un système (51,52) de télécommunications.