Hoe een fotovoltaïsch aangedreven DC-waterpomp op zonne-energie te ontwerpen?

Een gids voor het ontwerpen van een fotovoltaïsche waterpomp op zonne-energie

Typisch ontwerp van DC-motorpomp op zonne-energie

Het eenvoudigste type PV-systeem dat men ooit zou kunnen ontwerpen, is door enkele of meerdere PV-modules rechtstreeks op de DC-belasting aan te sluiten, zoals weergegeven in afbeelding 1 hieronder.

De totale capaciteit van de modules is zodanig dat deze alleen stroom kan leveren tijdens de zonuren. Er is geen speciale regeling getroffen om de modules maximaal te benutten door het maximale vermogen van de modules gedurende de dag te volgen met een laadcontroller.

Een dergelijk systeem is een niet-gereguleerd systeem, aangezien het uitgangsvermogen van de modules verandert als gevolg van veranderingen in de zonuren en er geen back-upbatterij is gemaakt om 's nachts aan de energievraag te voldoen operatie. Een dergelijk systeem is meer geschikt voor huishoudelijke toepassingen zoals het verpompen van water met behulp van een waterpomp met gelijkstroommotor.

Zoals gezegd kan een dergelijk systeem worden gebruikt voor het oppompen van water, met name bij de toepassing van irrigatie. Als we 's nachts water nodig hebben, kunnen we de opgeslagen energie in de batterij gebruiken om 's nachts het water op te pompen. Maar zoals we weten, kunnen batterijen alleen overdag worden opgeladen, zonuren.

Dus waarom zouden we batterijen opladen als we die beschikbare zonne-energie kunnen gebruiken om het water meteen weg te pompen tijdens zonneschijnuren? Aan de andere kant weten we dat batterijen niet goedkoop zijn en dat er ook een vermogenselektronica nodig is, zoals een laadregelaar, wat de kosten zou verhogen. Dus door de beschikbare zonne-energie direct tijdens zonne-uren te gebruiken om het water te pompen, kunnen we de kosten en ruimte die nodig zijn voor de batterij en laadregelaar in deze stand-alone applicatie elimineren.

Het ontwerp van een dergelijk systeem is heel eenvoudig, omdat we het vermogen en de spanning van de PV-module moeten afstemmen op die van de DC-pompmotor, zodat wanneer de module de zonne-energie ontvangt, straling zal de pomp het water aanzuigen en opslaan in de tank. Een dergelijk systeem kan ook worden ontworpen voor een AC-motor met verschillende vermogens die op de markt verkrijgbaar zijn.

Maar de AC-motorpomp heeft een inverter (DC – AC) circuit nodig om het door de PV-module gegenereerde gelijkstroomvermogen om te zetten in wisselstroom om de motor te laten draaien. Ook moet het vermogen van de omvormer goed overeenkomen met dat van de AC-motor en de PV-module.

Gerelateerde berichten:

• Hoe ontwerp en installeer ik een zonne-PV-systeem?
• Automatisch bewaterings- en irrigatiesysteem voor planten - circuit-, code- en projectrapport

Vereisten voor DC-waterpomp op zonne-energie

Voordat we beginnen met het ontwerp van het systeem voor het oppompen van water, is het belangrijk om enkele termen te begrijpen die nauw verband houden met het ontwerpen van zo'n op zichzelf staand systeem.

1. Dagelijkse waterbehoefte (m ³ /dag):De waterbehoefte kan dagelijks, maandelijks en per seizoen variëren. De hoeveelheid water die per dag nodig is, bepaalt de kosten en de grootte van het systeem. Dus als de waterbehoefte per dag varieert dan kan voor de ontwerpberekening het week- of maandgemiddelde worden genomen. Maar er moet rekening worden gehouden met de maximale waterbehoefte, want als het systeem aan de piekwatervraag kan voldoen, dan kan het ook aan de reguliere vraag voldoen.
2. Totale dynamische opvoerhoogte (TDH) (meters):Dit is de belangrijkste parameter voor het ontwerp van het pompsysteem. Het is de effectieve druk waarbij de waterpomp moet werken en wordt gemeten in meters. Het heeft twee subparameters, de eerste is de totale verticale lift en de andere is de totale wrijvingsverliezen. Nu verder, de totale verticale lift is de som van drie parameters die in figuur 3 hieronder worden getoond als; hoogte, stilstaand waterniveau en Drawdown.

• De hoogte is de maat voor het verschil tussen de punten, d.w.z. tussen de grond en de hoogte waarop het water moet worden afgevoerd.
• Stilstaand waterpeil is het verschil tussen het waterpeil in de put en de oppervlaktegrond.
• Drawdown is de maat voor de hoogte vanaf waar het waterpeil zakt door het wegpompen van het water.

3. Wrijvingsverliezen (meters):Dit is de druk die nodig is om de wrijving in de leiding tussen de uitlaat van de waterpomp en het punt van de wateruitgang te overwinnen. Het wordt opgeteld bij de totale verticale hoogte om de waarde van Total Dynamic Head (TDH) te verkrijgen en wordt gemeten in meters. Meerdere factoren dragen bij aan de oorzaak van de wrijvingsverliezen zoals de maat van de leiding, het type fittingen, de lucht in de leiding, het aantal bochten, het debiet, enz. Als het waterafvoerpunt dicht bij de put is dan een benadering waarde van het wrijvingsverlies wordt gebruikt voor de berekening. Als het lozingspunt zich bijvoorbeeld binnen 10 m van de put bevindt, wordt 5% van de totale verticale lift als wrijvingsverlies genomen.

Gerelateerd bericht: 

• Een complete gids over de installatie van zonnepanelen. Stapsgewijze procedure met berekening en diagrammen
• Basiscomponenten die nodig zijn voor de installatie van een zonnepaneelsysteem

Stappen om een ​​fotovoltaïsch aangedreven DC-waterpomp te ontwerpen

Alle bovenstaande parameters zijn erg handig voor het ontwerp van het systeem voor het oppompen van water met behulp van zonne-PV-modules. Laten we nu eens kijken hoe deze parameters en verschillende stappen nuttig kunnen zijn om zo'n op zichzelf staand systeem te ontwerpen. Het systeemontwerp kan als volgt in vijf stappen worden gedaan;

• Stap 1: Bepaal de dagelijkse waterbehoefte in (m ³ /dag)
• Stap 2: Bereken de totale dynamische opvoerhoogte (TDH) die nodig is om het water op te pompen.
• Stap 3: Bereken de totale hydraulische energie die per dag (Wattuur/dag) nodig is om het water op te pompen.
• Stap 4: Bereken de beschikbare zonnestraling op de locatie.
• Stap 5: Bereken de grootte en het aantal benodigde PV-modules, het motorvermogen, de efficiëntie en verliezen.

Gerelateerde berichten: 

• Circuitdiagram waterniveau-indicator - twee eenvoudige projecten
• Volautomatische waterniveauregelaar met SRF04

Voorbeeld en berekening voor het ontwerpen van een DC-waterpomp op zonne-energie 

Om dit te begrijpen, laten we een ontwerpvoorbeeld nemen waar we 50 m ³ nodig hebben water per dag vanaf een diepte van 20 m. Het heeft een hoogte, stilstaand waterniveau en een daling van respectievelijk 10 m, 10 m en 4 m.

Waterdichtheid is 2000 kg/m ³ en versnelling door zwaartekracht (g) is 9,8 m/s ² . Het piekvermogen van de zonnemodule is 36 W_P , aangezien de modules niet op hun nominale piekvermogen werken, dus de bedrijfsfactor is 0,75. Het pomprendement is ongeveer 40% en de mismatch-factor is 0,85 omdat de modules niet werken op de maximale PowerPoint.

Merk op dat de mismatch-factor als 1 moet worden beschouwd als we een MPPT samen met de laadregelaar gebruiken, maar in ons geval is de mismatch-factor 0,85 omdat we de PV rechtstreeks aansluiten modules naar de DC-pompmotor.

Stap 1: Bepaal de dagelijkse waterbehoefte in (m ³ /dag)

Dagelijkse behoefte aan water =50 m ³ /dag

Stap 2: Bereken de totale dynamische opvoerhoogte (TDH) die nodig is om het water op te pompen.

Totale verticale lift =hoogte + stilstaand waterniveau + waterdaling

Totale verticale lift =10 m + 10 m + 4 m =24 m

Wrijvingsverlies =5 % van de totale verticale lift =24 × 0,05 =1,2 m

Totale dynamische kop (TDH) =totale verticale lift + wrijvingsverlies

Totale dynamische opvoerhoogte (TDH) =24 m + 1,2 m =25,2 m

Stap 3: Bereken de totale hydraulische energie die per dag (Wattuur/dag) nodig is om het water op te pompen.

Benodigde hydraulische energie =Massa × g × TDH

Vereiste hydraulische energie =Dichtheid × Volume × g × TDH

Benodigde hydraulische energie =2000 kg/m ³ × 50 m ³ /dag × 9,8 m/s ² × 25,2 m =6860 Wh/dag

Stap 4: Bereken de beschikbare zonnestraling op de locatie.

Zonnestraling beschikbaar op de locatie (aantal uren piekzon per dag) =6 uur/dag (1000 W/m ² equivalent)

Piekzonuren worden het meest gebruikt omdat ze de berekeningen vereenvoudigen. Laat u niet verwarren met de 'Mean Sunshine Hours' en 'Piekzonuren' die je zou ophalen bij het weerstation. De "Gemiddelde zonneschijn-uren" geven het aantal uren aan dat de zonneschijn was, aangezien de "Piekzonuren" het aantal uren is dat de werkelijke hoeveelheid energie wordt ontvangen in KWh/m ² /dag.

Stap 5: Bereken de grootte en het aantal benodigde PV-modules, het motorvermogen, de efficiëntie en verliezen.

Totaal wattage van PV-paneel =Totale hydraulische energie / aantal uren piekzon per dag

Totaal wattage van PV-paneel =6860 / 6 =1143,33 W

Totaal wattage van PV-paneel rekening houdend met systeemverliezen =Totaal wattage van PV-paneel / (pompefficiëntie × mismatch-factor)

Totaal wattage van PV-paneel rekening houdend met systeemverliezen =1143,33 / (0,40 × 0,85) =3362,73 W

Totaal wattage van PV-paneel rekening houdend met de bedrijfsfactor van de PV-module =Totaal wattage van PV-paneel rekening houdend met systeemverliezen / Bedrijfsfactor

Totaal wattage van PV-paneel rekening houdend met de bedrijfsfactor van de PV-module =3362,73 / 0,75 =4483,64 W

Nee. van PV-panelen vereist van 36 W_P =Totaal wattage van PV-paneel rekening houdend met de bedrijfsfactor van de PV-module / 36

Nee. van PV-panelen vereist van 36 W_P =4483,64 / 36 =124,54 =(125 rond getal)

Nominaal vermogen van de DC-motor =Totaal wattage van het PV-paneel rekening houdend met de bedrijfsfactor van de PV-module / 746 W (d.w.z. 1 hp) =6.0102 hp motor =(7 hp rond getal )

De opstelling van de panelen in serie en parallel kan worden gedaan op basis van de spanning en stroomsterkte van de module en de DC-motor. Een dergelijk systeem kan ook worden ontworpen met een MPPT-circuit en omvormer voor de AC-motor, maar het is belangrijk dat bij het ontwerpen van het systeem rekening wordt gehouden met de efficiëntie en het vermogen ervan.

Gerelateerde berichten:

• Hoeveel watt zonnepaneel hebben we nodig voor onze elektrische huishoudelijke apparaten?
• Typen zonnepanelen en welk type zonnepaneel is het beste?

Conclusie

We hebben een eenvoudige en economische benadering bestudeerd om een ​​op zonne-energie gebaseerde DC-waterpomp te ontwerpen waarvoor beperkte componenten nodig zijn, geen batterijen en controller nodig. We hebben kort basistermen bestudeerd die verband houden met waterpompen en gedetailleerde ontwerpberekeningen om het vereiste waterniveau voor irrigatiedoeleinden te pompen. Een dergelijk systeem kan ook worden ontworpen met behulp van een AC-motor en kan worden geïmplementeerd op huishoudelijk, residentieel en commercieel niveau.