Wie entwirft man eine solar-photovoltaisch betriebene Gleichstrom-Wasserpumpe?

Eine Anleitung zum Entwerfen einer mit Solar-Photovoltaik betriebenen Gleichstrom-Wasserpumpe

Typisches Design einer solarbetriebenen Gleichstrommotorpumpe

Die einfachste Art von PV-System, die man jemals entwerfen könnte, besteht darin, einzelne oder mehrere PV-Module direkt an die DC-Last anzuschließen, wie in Abbildung 1 unten gezeigt.

Die Gesamtkapazität der Module ist so, dass sie nur während der Sonnenstunden Strom liefern können. Es werden keine besonderen Vorkehrungen getroffen, um die maximale Auslastung der Module zu erreichen, indem der maximale Leistungspunkt der Module mit einem Laderegler den ganzen Tag über verfolgt wird.

Ein solches System ist ein ungeregeltes System, da sich die Ausgangsleistung der Module aufgrund geänderter Sonnenstunden ändert und keine Backup-Batterien zur Deckung des Energiebedarfs während der Nacht vorgesehen sind Betrieb. Ein solches System ist besser geeignet für Haushaltsanwendungen wie das Pumpen von Wasser mit einer Gleichstrommotor-Wasserpumpe.

Wie bereits erwähnt, kann ein solches System zum Pumpen von Wasser insbesondere bei der Bewässerung verwendet werden. Wenn wir nachts Wasser brauchen, können wir die gespeicherte Energie in der Batterie nutzen, um das Wasser nachts zu pumpen. Aber wie wir wissen, können Batterien nur während der Sonnenstunden des Tages aufgeladen werden.

Warum sollten wir also Batterien aufladen, wenn wir die verfügbare Sonnenenergie nutzen können, um das Wasser während der Sonnenstunden sofort zu pumpen? Andererseits wissen wir, dass Batterien nicht billig sind und auch eine Leistungselektronikschaltung wie einen Laderegler erfordern würden, was die Kosten erhöhen würde. Indem wir die verfügbare Sonnenenergie direkt während der Sonnenstunden zum Pumpen des Wassers nutzen, können wir die Kosten und den Platzbedarf für die Batterie und den Laderegler in dieser eigenständigen Anwendung eliminieren.

Das Design eines solchen Systems ist sehr einfach, da wir die Leistung und Nennspannung des PV-Moduls an die des DC-Pumpenmotors anpassen müssen, damit das Modul die Solarenergie erhält Strahlung saugt die Pumpe das Wasser an und speichert es im Tank. Ein solches System kann auch für einen am Markt erhältlichen Wechselstrommotor unterschiedlicher Nennleistung ausgelegt werden.

Die AC-Motorpumpe benötigt jedoch einen Wechselrichter (DC – AC)-Schaltkreis, um den vom PV-Modul erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, um den Motor anzutreiben. Außerdem sollte die Nennleistung des Wechselrichters genau auf die des AC-Motors und des PV-Moduls abgestimmt sein.

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Anforderungen an eine solarbetriebene Gleichstrom-Wasserpumpe

Bevor wir nun mit dem Entwurf des Systems zum Wasserpumpen beginnen, ist es wichtig, einige Begriffe zu verstehen, die eng mit dem Entwurf eines solchen eigenständigen Systems zusammenhängen.

1. Täglicher Wasserbedarf (m ³ /Tag):Der Wasserbedarf kann täglich, monatlich und saisonal variieren. Die pro Tag benötigte Wassermenge bestimmt die Kosten und die Größe des Systems. Wenn also der Wasserbedarf pro Tag variiert, kann der wöchentliche oder monatliche Durchschnitt für die Auslegungsberechnung verwendet werden. Es sollte jedoch der maximale Wasserbedarf berücksichtigt werden, denn wenn das System den Spitzenwasserbedarf decken kann, kann es auch den regulären Bedarf decken.
2. Total Dynamic Head (TDH) (Meter):Dies ist der wichtigste Parameter für die Auslegung des Pumpsystems. Es ist der effektive Druck, bei dem die Wasserpumpe arbeiten muss, und er wird in Metern gemessen. Es hat zwei Unterparameter, erstens ist der gesamte vertikale Auftrieb und der andere die gesamten Reibungsverluste. Weiterhin ist der gesamte vertikale Auftrieb die Summe von drei Parametern, die in 3 unten gezeigt werden als; Höhe, Standwasserspiegel und Absinken.

• Die Höhe ist das Maß für die Differenz zwischen den Punkten, also zwischen dem Boden und der Höhe, in der das Wasser abgelassen werden soll.
• Der stehende Wasserstand ist die Differenz zwischen dem Wasserstand im Brunnen und der Erdoberfläche.
• Drawdown ist das Maß für die Höhe, aus der der Wasserspiegel durch das Abpumpen des Wassers absinkt.

3. Reibungsverluste (Meter):Dies ist der Druck, der erforderlich ist, um die Reibung in der Leitung zwischen dem Wasserpumpenauslass und dem Wasseraustritt zu überwinden. Sie wird zur vertikalen Gesamthöhe addiert, um den Wert der dynamischen Gesamthöhe (TDH) zu erhalten, und wird in Metern gemessen. Mehrere Faktoren tragen zur Ursache der Reibungsverluste bei, wie z. B. Rohrgröße, Art der Armaturen, im Rohr vorhandene Luft, Anzahl der Bögen, Durchflussrate usw. Wenn sich der Wasserabfluss in der Nähe des Brunnens befindet, ist dies eine Annäherung Wert des Reibungsverlustes wird für die Berechnung verwendet. Befindet sich der Abflusspunkt beispielsweise innerhalb von 10 m vom Brunnen entfernt, werden 5 % des gesamten vertikalen Auftriebs als Reibungsverlust angenommen.

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Schritte zum Entwerfen einer photovoltaisch betriebenen Gleichstrom-Wasserpumpe

Alle oben genannten Parameter sind sehr nützlich für das Design des Systems zum Pumpen von Wasser mit Solar-PV-Modulen. Lassen Sie uns nun sehen, wie diese Parameter und verschiedenen Schritte nützlich sein können, um ein solches eigenständiges System zu entwerfen. Das Systemdesign kann in fünf Schritten wie folgt durchgeführt werden:

• Schritt 1: Bestimmen Sie den täglichen Wasserbedarf in (m ³ /Tag)
• Schritt 2: Berechnen Sie die zum Pumpen des Wassers erforderliche Gesamtdynamische Förderhöhe (TDH).
• Schritt 3: Berechnen Sie die gesamte hydraulische Energie, die pro Tag (Wattstunde/Tag) zum Pumpen des Wassers benötigt wird.
• Schritt 4: Berechnen Sie die am Standort verfügbare Sonneneinstrahlung.
• Schritt 5: Berechnen Sie die Größe und Anzahl der benötigten PV-Module, die Motorleistung, den Wirkungsgrad und die Verluste.

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Beispiel und Berechnung für den Entwurf einer solarbetriebenen Gleichstrom-Wasserpumpe 

Um dies zu verstehen, nehmen wir einfach ein Konstruktionsbeispiel, bei dem wir 50 m ³ benötigen Wasser pro Tag aus 20 m Tiefe. Es hat eine Höhe, einen Standwasserspiegel und einen Absunk von 10 m, 10 m bzw. 4 m.

Wasserdichte beträgt 2000 kg/m ³ und die Erdbeschleunigung (g) beträgt 9,8 m/s ² . Die Spitzenleistung des Solarmoduls beträgt 36 W_P , da die Module nicht mit ihrer Nennspitzenleistung arbeiten, so dass der Betriebsfaktor 0,75 beträgt. Der Pumpenwirkungsgrad liegt bei etwa 40 % und der Mismatch-Faktor bei 0,85, da die Module nicht mit dem maximalen PowerPoint arbeiten.

Beachten Sie, dass der Mismatch-Faktor als 1 angenommen werden sollte, wenn wir einen MPPT zusammen mit dem Laderegler verwenden, aber in unserem Fall beträgt der Mismatch-Faktor 0,85, da wir die PV direkt anschließen Module zum DC-Pumpenmotor.

Schritt 1: Bestimmen Sie den täglichen Wasserbedarf in (m ³ /Tag)

Täglicher Wasserbedarf =50 m ³ /Tag

Schritt 2: Berechnen Sie die zum Pumpen des Wassers erforderliche Gesamtdynamische Förderhöhe (TDH).

Gesamter vertikaler Auftrieb =Höhe + Standwasserspiegel + Absinken

Gesamter vertikaler Auftrieb =10 m + 10 m + 4 m =24 m

Reibungsverlust =5 % des gesamten vertikalen Auftriebs =24 × 0,05 =1,2 m

Total Dynamic Head (TDH) =Gesamter vertikaler Auftrieb + Reibungsverlust

Total Dynamic Head (TDH) =24 m + 1,2 m =25,2 m

Schritt 3: Berechnen Sie die gesamte hydraulische Energie, die pro Tag (Wattstunde/Tag) zum Pumpen des Wassers benötigt wird.

Erforderliche hydraulische Energie =Masse × g × TDH

Erforderliche hydraulische Energie =Dichte × Volumen × g × TDH

Erforderliche hydraulische Energie =2000 kg/m ³ × 50 m ³ /Tag × 9,8 m/s ² × 25,2 m =6860 Wh/Tag

Schritt 4: Berechnen Sie die am Standort verfügbare Sonneneinstrahlung.

Am Standort verfügbare Sonneneinstrahlung (Anzahl der Sonnenstunden pro Tag) =6h/Tag (1000 W/m ² Äquivalent)

Sonnenstunden werden am häufigsten verwendet, da sie die Berechnungen vereinfachen. Nicht mit den "mittleren Sonnenscheinstunden" verwechseln und "Spitzensonnenstunden" die Sie von der Wetterstation abholen würden. Die „mittleren Sonnenstunden“ geben die Anzahl der Sonnenstunden an, während die „Spitzensonnenstunden“ die Anzahl der Stunden die tatsächlich empfangene Energiemenge in KWh/m ² ist /Tag.

Schritt 5: Berechnen Sie die Größe und Anzahl der erforderlichen PV-Module, die Motorleistung, den Wirkungsgrad und die Verluste.

Gesamtwattleistung des PV-Panels =Gesamte hydraulische Energie / Anzahl der Sonnenstunden pro Tag

Gesamtleistung des PV-Panels =6860 / 6 =1143,33 W

Gesamtleistung des PV-Moduls unter Berücksichtigung der Systemverluste =Gesamtleistung des PV-Moduls / (Pumpeneffizienz × Mismatch-Faktor)

Gesamtwattleistung des PV-Moduls unter Berücksichtigung der Systemverluste =1143,33 / (0,40 × 0,85) =3362,73 W

Gesamtleistung des PV-Moduls unter Berücksichtigung des Betriebsfaktors des PV-Moduls =Gesamtleistung des PV-Moduls unter Berücksichtigung der Systemverluste / Betriebsfaktor

Gesamtwattleistung des PV-Moduls unter Berücksichtigung des Betriebsfaktors des PV-Moduls =3362,73 / 0,75 =4483,64 W

Nein. PV-Module von 36 W_P erforderlich =Gesamtleistung des PV-Moduls unter Berücksichtigung des Betriebsfaktors des PV-Moduls / 36

Nein. PV-Module von 36 W_P erforderlich =4483,64 / 36 =124,54 =(125 runde Zahl)

Nennleistung des Gleichstrommotors =Gesamtwattleistung des PV-Moduls unter Berücksichtigung des Betriebsfaktors des PV-Moduls / 746 W (d. h. 1 PS) =6,0102 PS Motor =(7 PS runde Zahl )

Die Anordnung der Panels in Reihe und parallel kann basierend auf der Spannungs- und Stromstärke des Moduls und des DC-Motors erfolgen. Ein solches System kann auch mit einer MPPT-Schaltung und einem Wechselrichter für den Wechselstrommotor entworfen werden, aber es ist wichtig, dass seine Effizienz und Nennleistung bei der Konstruktion des Systems berücksichtigt werden.

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Fazit

Wir haben einen einfachen und wirtschaftlichen Ansatz untersucht, um eine mit Solar-PV betriebene DC-Wasserpumpe zu entwerfen, die begrenzte Komponenten erfordert und keine Batterien und keine Steuerung benötigt. Wir haben uns kurz mit grundlegenden Begriffen im Zusammenhang mit dem Pumpen von Wasser und detaillierten Konstruktionsberechnungen befasst, um die erforderliche Wassermenge für Bewässerungszwecke zu pumpen. Ein solches System kann auch unter Verwendung eines Wechselstrommotors entworfen und auf Haushalts-, Wohn- und Gewerbeebene implementiert werden.