Солнечные водяные насосы

Солнечные водяные насосы являются экономически эффективным и надежным методом для обеспечения водой там, где водные ресурсы и линии электропередач находятся на большом расстоянии,  или расходы на топливо и техническое обслуживание являются значительными.

Солнечные насосы специально разработаны для питания напрямую от  солнечных модулей, они оптимизированы для работы в очень тяжелых условиях. Для питания обычных двигателей переменного тока насосов требуется стабильное напряжение и частота, солнечные насосы могут работать в широком диапазоне напряжений и токов.

Солнечный насос  с прямой подачей в резервуар

Солнечный насос с прямой подачей в резервуар

Обычные насосы, питаемые от сети, требуют большое количество энергии для перемещения больших объемов воды в течение короткого периода времени. Солнечные насосы, как правило, перекачивают небольшие объем воды в течение длительного периода времени. Этот метод требует намного меньше энергии, что сводит к минимуму размер и стоимость солнечной батареи.

Есть несколько методов для перекачки воды в неэлектрофицированных районах:  ветряные мельницы, с дизельным или бензиновым двигателем (либо генератором), а также насосы с гидротараном. Но большинство из этих вариантов, либо слишком дороги, либо нуждаюся в дорогой доставке топлива и тех обслуживании, либо требуют перепада рельефа.

Солнечные насосы могут работать в большинстве мест и на полной мощности тогда, когда это необходимо больше всего: во время теплых, солнечных дней. В регионах с умеренным климатом, они могут быть использованы круглый год, что может быть особенно полезно для обеспечения питьевой водой при выпасе скота и других сельскохозяйственных операциях. Для многих территорий, солнечный насос часто лучший вариант для снижения затрат и физических нагрузок.

Типовые варианты применения:

то погружной насос подвешен на плоту недалеко от центра этом пруду

Погружной насос установлен на плоту недалеко от центра пруда. Обратите внимание на солнечные батареи, которые находится на краю пруда.

Основные типы систем

В прямых PV-системах (PV = PhotoVoltaics т.е. солнечные батареи) к солнечным батареям непосредственно подключен водяной насос. В схеме задействовано только три основных компонента: солнечные батареи, контроллер насоса и насос. Это одно из самых доступных решений по цене, требующее низкого уровня обслуживания системы. Пока светит солнце и системе необходима вода, насос будет работать. Есть три основных варианта прямых PV-систем:

  1. С подачей воды самотеком или в открытую емкость. Это не сложная и поэтому, как правило, наиболее экономически эффективная система. Она хорошо подходит для холмистой местности из-за способности доставлять воду из отдельного резервуара к месту водоразбора самотеком по желобам.
  2. С подачей воды в мембранный расширительный бак (гидроаккумулятор). Эта схема сложней и дороже, и требует дополнительной мощности фотоэлементов. Система использует расширительный бак для исключения частых включений-отключений насоса при небольшом водопотреблении.
  3. С подачей воды в резервуар высокого давления. Хотя эта система достаточно проста, но необходим дорогостоящий бак, работающий под давлением, мощный насос и большее количество солнечных батарей, чтобы преодолевать дополнительную высоту подъёма (сопротивление потоку) в баке под давлением.

Аккумуляторные системы с возможностью работать вечером или прибавляющие энергии при пиковых нагрузках, являются достаточно сложными самыми дорогими. Этот тип системы рекомендуется при необходимости подачи воды круглые сутки под давлением.

обозначения на схеме  солнечного водоснабжения

обозначения на схеме солнечного водоснабжения: wellhead — оголовок скважины, pump controller — контроллер насоса, overcurrent protection — токовая защита, storage tank — бак с водой, PV-array — массив солнечных батарей

Расчет основных элементов системы

1. Сначала необходимо определить потребность воды в сутки (см. таблицу).

Частный дом  190 л / человек
Крупный рогатый скот, лошади 40-60 л / голова
Коровы 75-110 л/ голова
Овцы, козы 8 л / голова
Мелкие животные 1 л / 100 гр веса
Домашняя птица 20-45 л на 100 птиц
Молодые деревья 15 л /шт в сухую погоду

2. Данные по источнику воды.

Конфигурация системы водоснабжения будет в значительной степени определяется типом источника воды и его местоположением. Источником могут быть подземные или поверхностные воды (пруд, ручей). Скважины часто предпочтительней, так как имеют лучшее качество воды и постоянное наличие, но они дороги для бурения, особенно там, где уровень грунтовых вод расположен глубоко. Поверхностные источники воды могут меняться сезонно, часто с низким расходом и качеством, например летом, когда требуются большие объемы.

Для существующих скважин, должны быть определены параметры (обратитесь к бурильщикам за этой информации):

Для поверхностных водных источников должны быть определены:

Поверхностный насос может перекачивать большие объемы воды

Поверхностный насос может перекачивать большие объемы воды, но имеет небольшую глубину всасывания.

3. Выбор места для солнечных панелей

Площадка для сбора солнечной энергии должна соответствовать требованиям:

PV массивы должны быть расположены в зоне максимального прямого воздействия солнца. Это обычно означает ориентацию на юг и наклон под углом, примерно равным географической широте места. Также можно использовать трекер, чтобы всегда ориентировать массив PV панелей на солнце, вслед за его движением по небу. Это увеличивает суточный прирост энергии до 40%, в зависимости от широты места. Но в связи с резким падением стоимости солнечных батарей, часто стоимость трекера может быть дороже, чем простое увеличение количества неподвижных модулей.

В скважине насос защищен от замерзания

В скважине насос защищен от замерзания.

4. Определение гидродинамического сопротивления системы (гидравлического напора)

После того, как вы определили потребности и характеристики воды, необходимо просчитать расстояния (как вертикальные, так и горизонтальные), на которые вода будет перекачиваться, определиться с диаметром и материалом трубы. Значение гидравлических потерь складывается из высоты от уровня воды до верхнего уровня резервуара хранения воды, а также потерь на трение. Для погружных насосов, напор не рассчитывается от глубины насоса, а от статического уровня воды за вычетом понижения уровня при работе насоса (динамический уровень).

Потери на трение сопротивление потоку воды на внутренней поверхности труб и фитингов зависят от диаметра трубы, материала трубы, скорости движения воды, изгибов, сужений и т.п. Расчет потерь можно производить в специализированных программах или вручную по таблицам.

Для расчета требуемой производительности насоса необходимо ориентироваться на пиковую потребность в воде (минутную).

Контроллер насоса может работать непосредственно от солнечных батарей, имеет защиту от сухого хода, удаленное управление

Контроллер насоса может работать непосредственно от солнечных батарей, имеет защиту от сухого хода, удаленное управление

5. Подбор насоса и размера фотоэлектрического массива

По рассчитанным гидравлическим потерям (метры) и желаемой производительности (литр/мин или м3/час) можно подобрать требуемый насос. У всех производителей насосов существуют соответствующие графики по каждой модели насоса.

При определении размера солнечных батарей, некоторые производители насосов рекомендуют увеличить мощность панели на 25%, чтобы компенсировать потери мощности из-за падения КПД панели от высокой температуры, пыли, старения, и т.д. Некоторые солнечные насосные компании, такие как Grundfos , предлагают онлайн-инструмент калибровки, что уже учитывает этот коэффициент.

Малые 12- и 24-вольтные системы имеют меньший КПД (большие потери), и как правило, дороже в пересчете на кВт. Большие насосные системы  с более высоким напряжением, с аккумуляторными системами, использующих контроллеры заряда MPPT, могут использовать менее дорогие и более распространенные модули.

Контроллер Grundfos

Контроллер Grundfos умеет работать с переменным и постоянным током в широком диапазоне напряжений

6. Контроллеры насосов

Контроллер насоса включает в себя электронный преобразователь напряжения и стабилизатор тока, который позволяет работать насосу в максимально эффективной рабочей точке, несмотря на значительные колебания мощности солнечных батарей. Это особенно полезно при запуске насоса в условиях низкой освещенности. Большинство производителей требуют использования собственных контроллеров со своими насосами.

Большинство контроллеров имеют возможность контролировать работу насоса с помощью поплавкового выключателя или реле давления.

7. Контроллеры заряда

Когда системе необходимы аккумуляторные, то для зарядки, защиты от перегрузки или переразряда требуется контроллер заряда. Контроллеры с базовой ШИМ (широтно-импульсной модуляции), как правило, используются для небольших 12- и 24-вольтовых аккумуляторных систем. Они имеют довольно узкое окно входных напряжений и следовательно необходимо точно подбирать модель солнечных панелей.

Для максимально точного отслеживания силовой точки заряда используются MPPT контроллеры. В них можно использовать солнечные модули с более высоким напряжением, что позволяет выбирать из более широкого спектра модулей. В системах с более протяженными кабелями между солнечными батареями и насосом, системы с более высоким напряжением позволяют использовать провод с меньшим сечением, что снижает стоимость системы и сводит к минимуму падение напряжения.

Управление нагрузкой является еще одной особенностью для многих контроллеров заряда. Контроль за чрезмерной разрядкой батарей предотвращает повреждение батарей, отключает насос, если напряжение батареи становится слишком низким. Также контроллеры позволяют подать пиковую пусковую мощность от аккумуляторов и солнечных панелей, что позволяет в полной мере использовать потенциал системы.

8. Накопительный бак для воды

Большинство солнечных насосных систем используют резервуары для хранения воды. Общее правило заключается в подборе размера бака таким образом, чтобы воды хватило хотя бы на три дня, чтобы сгладить изменчивые условия солнечной активности. При слишком большом сроке хранения воды, возникают вопросы качества воды из-за роста водорослей и размножения бактерий. Для предотвращения роста водорослей максимальное время хранение воды рекомендуется ограничить максимумом в два дня, если бак находится под прямыми лучами солнца. Если бак находится в тени, максимальный срок хранения рекомендуется не более трех дней.

Поплавковый выключатель

Поплавковый выключатель внутри бака

Пищевые пластиковые емкости являются наиболее распространенным типом и часто помещаются в верхней точке площадки для гравитационной подачи конечному потребителю. Хотя эти баки, как правило, самый доступный вариант, солнце способствуют росту в них водорослей и бактерий.

Лучшее, но более дорогое решение, это подземные цистерны. Цистерны предполагают защиту от замерзания, стабилизируют температуру воды, и сводят к минимуму вопросы качества воды. Поплавковый выключатель внутри любого типа бака управляет насосом в зависимости от уровня воды. Провод поплавкового выключателя пропускается рядом с заливной трубой.

9. Системы под давлением 

В некоторых случаях может потребоваться система с водой под давлением. Правильно подобранный солнечный насос может создать избыточное давление водяной системы так же, как стандартный насос с питанием от электросети (220/380В).

Типичное реле давления

Типичное реле давления

10. Солнечные насосы

Большинство обычных насосов переменного тока используют центробежное рабочее колесо, что заставляет воду двигаться. Многоступенчатый центробежный насос имеет ряд последовательно уложенных колес и камер. При работе на низкой мощности, выход центробежных насосов резко падает. Это несколько ограничивает применение центробежных насосов  для солнечных систем. Солнечные центробежные насосы способны создать высокую скорость потока, но ограничены в возможностях вертикального подъема. Они также требуют довольно больших массивов солнечных батарей. Эти насосы идеально подходят для орошения при низком напоре.

Солнечный поверхностный насос

Солнечный поверхностный насос постоянного тока SunPumps’ SCB 10-185

Объемные насосы, которые подают воду в камеру, а затем перекачивают её его с помощью поршня, вращения камеры, или винтовых шнеков, используются в качестве солнечных насосов наиболее часто. Они, как правило насоса менее производительны, чем центробежные насосы, но имеют хорошую эффективность в условиях работы с низким энергопотреблением, с большой высотой подъема и давления. Они идеально подходят для поилок мелкого скота, прудовой аэрации, так и небольших систем водоснабжения.

Хотя погружной насос остается под водой, например, в скважине, он также может быть использован для пееркачивания и поверхностных вод. Поверхностный насос всасывающего типа установлен на уровне или чуть выше уровня воды, и отлично подходит для перемещения воды на большие расстояния. Поверхностные насосы дешевле, но не очень хорошо умеют засывать воду, максимально самовсасывание возможно только с глубины 3 — 5 метров. Они также не грязе- мусоро-  устойчивые и обычно требуют фильтрации.

Насос и контроллер Lorentz

Солнечный насос и контроллер Lorentz

Солнечные насосы доступны в широком диапазоне типов и размеров. Тип насоса определяется путем тщательного расчета ваших потребностей. Например, один из небольших солнечных поверхностных насосов постоянного тока требует PV массив только под 150 Вт и может перекачивать на 6 литров в минуту. За время 10 солнечных летних часов, он может перекачивать до 900 литров. Погружной насос постоянного тока с 300 Вт фотоэлектрическим модулем, может перекачать более 4000 литров за течение 5 часов со скважины глубиной 45м.  Это эквивалентно насосу переменного тока 750Вт и 2000 Вт фотоэлектрического модуля, инвертора и аккумуляторов для перекачки этого количество воды в течение одного часа.

Производители солнечных насосов:

Добавить комментарий


Почитать ещё по теме:


Термоакустический холодильник на солнечной энергии
микроТЭЦ Panasonic
Микро ТЭЦ Panasonic для частного дома
Микро-ТЭЦ на выставке Hannover Messe 2014
Натриевый тепловой двигатель сулит революцию для домашних ТЭЦ

Template design by Joule Watt © 2014 Домашняя энергетика