Ontwerpen van een zonne-gevoede DC-waterpomp: Stapsgewijze handleiding

Handleiding voor het ontwerpen van een zonne-gefotovoltaïsche DC-waterpomp

Typisch ontwerp van zonne-gevoede DC-motorpomp

Het simpelste type PV-systeem dat men kan ontwerpen, is door één of meerdere PV-modules direct aan de DC-last te koppelen, zoals in figuur 1 hieronder getoond.

De totale capaciteit van de modules is zodanig dat ze alleen tijdens zonnige uren vermogen kunnen leveren. Er is geen speciale regeling getroffen om de maximale benutting van de modules te garanderen door het maximum-vermogenpunt (MPP) met een laadregelaar de hele dag te volgen.

Zo'n systeem is een ongeregeld systeem, omdat de stroomuitgang van de modules verandert door wisselende zonnestraling en er geen back-upbatterij is voorzien om de energiebehoefte 's nachts te dekken. Zo'n systeem is meer geschikt voor domestische toepassingen zoals waterpompen met een DC-motorwaterpomp.

Zoals aangegeven, kan zo'n systeem gebruikt worden voor waterpompen, met name in irrigatietoepassingen. Als we 's nachts water nodig hebben, kunnen we de opgeslagen energie in de batterij gebruiken om water te pompen. Maar we weten dat batterijen alleen overdag tijdens zonnige uren geladen kunnen worden.

Waarom zouden we batterijen laden als we de beschikbare zonne-energie direct tijdens zonnige uren kunnen benutten om water te pompen? Aan de andere kant weten we dat batterijen duur zijn en ook een elektronische schakeling zoals een laadregelaar vereisen, wat de kosten verhoogt. Door de beschikbare zonne-energie direct tijdens zonnige uren te benutten om water te pompen, kunnen we de kosten en ruimte voor de batterij en laadregelaar in deze standalone-toepassing elimineren.

Het ontwerp van zo'n systeem is zeer eenvoudig: we hoeven alleen de vermogens- en spanningswaarden van de PV-module aan die van de DC-pompmotor aan te passen, zodat de pomp water oppompt en in de tank opslaat zodra de module zonnestraling ontvangt. Zo'n systeem kan ook ontworpen worden voor een AC-motor van verschillende vermogenswaarden die op de markt beschikbaar zijn.

Maar een AC-motorpomp vereist een omvormer (DC-AC) om de DC-energie die gegenereerd wordt door de PV-module om te zetten in AC-energie om de motor te draaien. Ook moet de vermogenswaarde van de omvormer goed afgestemd zijn op die van de AC-motor en de PV-module.

Gerelateerde artikelen:

• Hoe een zonnestroom-PV-systeem te ontwerpen en installeren?
• Automatisch plantenwatering & irrigatiesysteem – Schakeling, Code & Projectverslag

Vereisten voor zonne-gevoede DC-waterpomp

Voordat we beginnen met het ontwerp van het systeem voor waterpompen, is het belangrijk om enkele termen te begrijpen die nauw gerelateerd zijn aan het ontwerp van zo'n standalone-systeem.

1. Dagelijkse waterbehoefte (m³/dag): De waterbehoefte kan dagelijks, maandelijks en seizoensgebonden variëren. De hoeveelheid water die per dag nodig is, bepaalt de kosten en de grootte van het systeem. Als de waterbehoefte per dag varieert, kan het wekelijkse of maandelijkse gemiddelde worden genomen voor de ontwerpberekening. Maar de maximum waterbehoefte moet worden overwogen, want als het systeem de piekwaterbehoefte kan waarmaken, kan het ook de reguliere behoefte dekken.
2. Totale Dynamische Hoogte (TDH) (meters): Dit is de belangrijkste parameter voor het ontwerp van het pompsysteem. Het is de effectieve druk waarop de waterpomp moet werken en wordt in meters gemeten. Het heeft twee subparameters: de totale verticale lift en de totale wrijvingsverliezen. De totale verticale lift is de som van drie parameters zoals in figuur 3 hieronder getoond: elevatie, staand waterpeil en waterpeildaling (drawdown).

• De elevatie is het verschil in hoogte tussen de grond en het punt waar het water wordt afgedaan.
• Staand waterpeil is het verschil tussen het waterpeil in de put en de grondoppervlakte.
• Drawdown is de hoeveelheid waarmee het waterpeil daalt door het oppompen van water.

3. Wrijvingsverliezen (meters): Dit is de druk die nodig is om de wrijving in de buis tussen de pompuitlaat en het waterafgiftpunt te overwinnen. Het wordt opgeteld bij de totale verticale hoogte om de waarde van de Totale Dynamische Hoogte (TDH) te verkrijgen en wordt in meters gemeten. Meerdere factoren dragen bij aan wrijvingsverliezen, zoals buisdiameter, type fittingen, lucht in de buis, aantal bochten, stroomsnelheid, enz. Als het waterafgiftpunt dicht bij de put ligt, wordt een benaderingswaarde van het wrijvingsverlies gebruikt. Bijvoorbeeld, als het afgiftpunt binnen 10 m van de put ligt, wordt 5 % van de totale verticale lift als wrijvingsverlies genomen.

Gerelateerd artikel:

• Complete gids over zonnepanelinstallatie. Stap-voor-stap procedure met berekening & diagrammen
• Basisonderdelen nodig voor zonnepanelsysteeminstallatie

Stappen voor het ontwerpen van een fotovoltaïsch aangedreven DC-waterpomp

Alle bovenstaande parameters zijn zeer nuttig voor het ontwerp van het systeem voor waterpompen met zonne-PV-modules. Laten we zien hoe deze parameters en verschillende stappen nuttig kunnen zijn voor het ontwerp van zo'n standalone-systeem. Het systeemontwerp kan in vijf stappen worden uitgevoerd:

• Stap 1: Bepaal de dagelijkse waterbehoefte in (m³/dag)
• Stap 2: Bereken de benodigde Totale Dynamische Hoogte (TDH) voor het pompen van water.
• Stap 3: Bereken de totale benodigde hydraulische energie per dag (Watt-uur/dag) voor het pompen van water.
• Stap 4: Bereken de beschikbare zonnestraling op de locatie.
• Stap 5: Bereken de grootte en het aantal benodigde PV-modules, de motorwaarde, de efficiëntie en verliezen.

Gerelateerde artikelen:

• Waterpeilindicator schakeling – Twee eenvoudige projecten
• Volledig automatische waterpeilcontroller met SRF04

Voorbeeld & Berekening voor het ontwerpen van een zonne-gevoede DC-waterpomp

Om dit te begrijpen, nemen we een ontwerpvoorbeeld waarbij we 50 m³ water per dag nodig hebben uit een diepte van 20 m. De elevatie, staand waterpeil en drawdown bedragen respectievelijk 10 m, 10 m en 4 m.

Waterdichtheid is 2000 kg/m³ en zwaartekracht (g) is 9,8 m/s². De piekvermogenswaarde van de zonnemodule is 36 W_p, aangezien modules niet op hun piekvermogen werken, is de bedrijfsfactor 0,75. De pompefficiëntie is ongeveer 40 % en de mismatchfactor is 0,85 omdat de modules niet in het maximum-vermogenpunt werken.

Let op dat de mismatchfactor 1 moet zijn als we een MPPT samen met de laadregelaar gebruiken, maar in ons geval is de mismatchfactor 0,85 omdat we de PV-modules direct aan de DC-pompmotor koppelen.

Stap 1: Bepaal de dagelijkse waterbehoefte in (m³/dag)

Dagelijkse waterbehoefte = 50 m³/dag

Stap 2: Bereken de benodigde Totale Dynamische Hoogte (TDH) voor het pompen van water.

Totale verticale lift = Elevatie + Staand waterpeil + Drawdown

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 Hoogte (TDH) = Totale verticale lift + Wrijvingsverlies

Totale Dynamische Hoogte (TDH) = 24 m + 1,2 m = 25,2 m

Stap 3: Bereken de totale benodigde hydraulische energie per dag (Watt-uur/dag) voor het pompen van water.

Benodigde hydraulische energie = Massa × g × TDH

Benodigde hydraulische energie = Dichtheid × Volume × g × TDH

Benodigde hydraulische energie = 2000 kg/m³ × 50 m³/dag × 9,8 m/s² × 25,2 m = 6860 Wh/dag

Stap 4: Bereken de beschikbare zonnestraling op de locatie.

Beschikbare zonnestraling op de locatie (Aantal uren piekzonneschijn per dag) = 6 u/dag (1000 W/m² equivalent)

Piekzonne-uren worden het meest gebruikt omdat ze de berekeningen vereenvoudigen. Verward niet de "Gemiddelde zonnestralingsuren" en "Piekzonne-uren" die je van het meteorologisch station zou verzamelen. "Gemiddelde zonnestralingsuren" duiden op het aantal uren dat de zon schijnt, terwijl "Piekzonne-uren" het aantal uren is dat de daadwerkelijke hoeveelheid energie in kWh/m²/dag wordt ontvangen.

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

Totale vermogen van PV-paneel = Totale hydraulische energie / Aantal uren piekzonneschijn per dag

Totale vermogen van PV-paneel = 6860 / 6 = 1143,33 W

Totale vermogen van PV-paneel rekening houdend met systeemverliezen = Totale vermogen van PV-paneel / (Pompefficiëntie × Mismatchfactor)

Totale vermogen van PV-paneel met systeemverliezen = 1143,33 / (0,40 × 0,85) = 3362,73 W

Totale vermogen van PV-paneel rekening houdend met de bedrijfsfactor van de PV-module = Totale vermogen van PV-paneel met systeemverliezen / Bedrijfsfactor

Totale vermogen van PV-paneel met bedrijfsfactor = 3362,73 / 0,75 = 4483,64 W

Aantal benodigde PV-panelen van 36 W_p = Totale vermogen van PV-paneel met bedrijfsfactor / 36

Aantal benodigde PV-panelen van 36 W_p = 4483,64 / 36 = 124,54 = (125 afgerond)

Vermogenswaarde van de DC-motor = Totale vermogen van PV-paneel met bedrijfsfactor / 746 W (d.w.z. 1 pk) = 6,0102 pk motor = (7 pk afgerond)

De opstelling van de panelen in serie en parallel kan gebaseerd worden op de spanning- en stroomwaarden van de module en de DC-motor. Zo'n systeem kan ook met een MPPT-schakeling en omvormer voor de AC-motor worden ontworpen, maar het is belangrijk dat de efficiëntie en vermogenswaarde in aanmerking worden genomen tijdens het ontwerp.

Gerelateerde artikelen:

• Hoeveel Watt zonnepaneel hebben we nodig voor onze huishoudelijke apparaten?
• Typen zonnepanelen en welk zonnepaneltype is het beste?

Conclusie

We bestudeerden een eenvoudige en economische aanpak voor het ontwerpen van een zonne-PV-gebaseerde DC-waterpomp die beperkte componenten vereist, geen batterijen en controller nodig heeft. We bestudeerden kort de basisbegrippen met betrekking tot waterpompen en gedetailleerde ontwerpberekeningen om het vereiste waterniveau voor irrigatiedoeleinden te pompen. Zo'n systeem kan ook met een AC-motor worden ontworpen en op domestisch, residentieel en commercieel niveau geïmplementeerd worden.