Проектирование солнечного насоса с двигателем постоянного тока: пошаговое руководство

Руководство по проектированию солнечного насоса с двигателем постоянного тока

Типичная схема солнечного насоса

Простейшая PV-система — прямое соединение одного или нескольких модулей с нагрузкой постоянного тока (рис. 1).

Мощность модулей рассчитана только на солнечные часы. Нет MPPT-контроллера для максимального использования энергии и нет батарей для ночной работы. Такая нерегулируемая система подходит для бытовых нужд — например, качки воды двигателем постоянного тока.

Проектирование просто: согласовать мощность и напряжение модуля с двигателем насоса. При излучении насос качает воду в бак. Можно также использовать двигатель переменного тока с инвертором (DC-AC), согласовав его мощность с модулем и двигателем.

Требования к солнечному насосу

Перед расчётом нужно понять ключевые параметры:

1. Суточная потребность в воде (м³/сутки) — варьируется по дням, месяцам, сезонам. Берут максимальную потребность, чтобы система покрывала пиковый спрос.
2. Общий динамический напор (TDH), метры — самый важный параметр. Эффективное давление, при котором работает насос. Состоит из вертикального подъёма и потерь на трение.
   • Вертикальный подъём = отметка разгрузки + статический уровень воды + просадка (drawdown).
3. Потери на трение (м) — давление для преодоления трения в трубе от насоса до точки разгрузки. Зависит от диаметра трубы, фитингов, воздуха, колен, расхода. Если разгрузка близко (в пределах 10 м), берут ~5% от вертикального подъёма.

Пять шагов проектирования

• Шаг 1: Определить суточную потребность в воде (м³/сутки).
• Шаг 2: Рассчитать TDH.
• Шаг 3: Рассчитать гидравлическую энергию в сутки (Вт·ч/сутки).
• Шаг 4: Определить солнечную инсоляцию на объекте (пиковые солнечные часы).
• Шаг 5: Рассчитать размер и число PV-модулей, рейтинг двигателя, КПД, потери.

Пример расчёта

Нужно 50 м³/сутки из глубины 20 м. Отметка разгрузки 10 м, статический уровень 10 м, просадка 4 м. Плотность воды 2000 кг/м³, g = 9,8 м/с². Пиковая мощность модуля 36 Вт_p, рабочий коэффициент 0,75. КПД насоса 40%, коэффициент несовпадения 0,85 (прямое подключение без MPPT; с MPPT коэффициент = 1).

Шаг 1: Потребность = 50 м³/сутки.

Шаг 2: Вертикальный подъём = 10 + 10 + 4 = 24 м. Потери = 5% × 24 = 1,2 м. TDH = 25,2 м.

Шаг 3: Гидравлическая энергия = плотность × объём × g × TDH = 2000 × 50 × 9,8 × 25,2 = 6860 Вт·ч/сутки.

Шаг 4: Пиковые солнечные часы = 6 ч/сутки (1000 Вт/м² эквивалент). Не путать со средними часами солнечного сияния — пиковые часы учитывают реальную энергию.

Шаг 5: Мощность панели = 6860 / 6 = 1143,33 Вт.

С учётом потерь: 1143,33 / (0,40 × 0,85) = 3362,73 Вт.

С учётом рабочего коэффициента модуля: 3362,73 / 0,75 = 4483,64 Вт.

Число модулей 36 Вт_p: 4483,64 / 36 = 124,54 → 125 модулей.

Мощность двигателя: 4483,64 / 746 = 6,01 л.с. → 7 л.с.

Расположение панелей (серия/параллель) зависит от напряжения/тока модуля и двигателя. Можно также спроектировать с MPPT и инвертором для двигателя переменного тока, учитывая их КПД.

Заключение

Рассмотрен простой и экономичный подход к проектированию солнечного насоса постоянного тока: минимум компонентов, без батарей и контроллера. Изучены базовые термины и детальные расчёты для орошения. Систему можно реализовать с двигателем переменного тока на бытовом, жилом и коммерческом уровнях.