Odpowiednio dobrany system pomp głębinowych zasilanych energią słoneczną składa się z trzech elementów: zestawu paneli fotowoltaicznych (dobranych do szczytowych godzin nasłonecznienia), sterownika MPPT (dopasowanego do napięcia panelu i wejścia pompy) oraz samej pompy (wybranej pod kątem całkowitej wysokości podnoszenia dynamicznego studni i wymaganego natężenia przepływu). Błędne ustawienie tej kombinacji jest jednym z najczęstszych powodów, dla których systemy pomp do studni słonecznych nie dostarczają wystarczającej ilości wody lub przedwcześnie się wypalają.
System pomp studni słonecznych nie jest prostym zespołem składającym się z „paneli słonecznych i pompy wodnej”. Każdy element musi być zaprojektowany tak, aby współpracował z innymi, a niedopasowanie w dowolnym miejscu łańcucha – zbyt małe panele, niezgodny sterownik lub pompa przystosowana do niewłaściwej wysokości podnoszenia i przepływu – może oznaczać, że system będzie działać gorzej, przestanie działać w okresach pochmurnych lub ulegnie awarii w ciągu kilku miesięcy. W przypadku nabywców i instalatorów zaopatrujących się w słoneczną pompę głębinową zrozumienie podstaw doboru zmniejsza ryzyko zakupu i gwarantuje, że system będzie działał zgodnie z oczekiwaniami od pierwszego dnia.
W tym przewodniku opisano, jak obliczyć moc panelu fotowoltaicznego na podstawie szczytowych godzin nasłonecznienia, jak wybrać odpowiedni typ sterownika MPPT do zastosowań z pompami solarnymi oraz jak określić wysokość podnoszenia i wymagania dotyczące przepływu pompy. Omówiono także, w jaki sposób producenci tacy jak MASTRA Pump wspierają ten proces poprzez projektowanie systemów OEM/ODM i pełne wsparcie w zakresie zestawień materiałowych (BOM).
Dlaczego systemy pomp studni słonecznych zawodzą, gdy są nieprawidłowo dobrane?
Bardzo awarie systemów pomp studni słonecznych wynikają raczej z niedopasowania komponentów niż pojedynczej wadliwej części. Gdy panel fotowoltaiczny nie wytwarza wystarczającej mocy dla prądu rozruchowego i roboczego pompy, pompa włącza się i wyłącza lub w ogóle nie uruchamia się. Gdy sterownik nie jest dopasowany do napięcia wyjściowego panelu, system traci wydajność lub uruchamia wyłączniki bezpieczeństwa. Jeżeli pompa jest przystosowana do niewłaściwej całkowitej wysokości podnoszenia dynamicznego, albo nie dostarcza wody ze studni głębinowej, albo pracuje nieefektywnie i przedwcześnie się zużywa.
Ponieważ systemy pomp do studni słonecznych są zwykle instalowane w odległych lokalizacjach poza siecią, naprawienie tych błędów po instalacji jest kosztowne. Wizyty na miejscu, dostęp do studni i demontaż systemu zwiększają koszty, których można było uniknąć, jeśli z góry dokonano prawidłowych obliczeń wymiarowych. To dlatego nabywcy coraz częściej szukają dostawców, którzy dostarczają kompletne, wstępnie dopasowane zestawienia komponentów systemu, zamiast zamawiać oddzielnie panele, sterowniki i pompy.
Jak obliczyć moc panelu fotowoltaicznego dla pompy solarnej?
Moc panelu fotowoltaicznego oblicza się, dzieląc całkowite dzienne zapotrzebowanie pompy na energię (w watogodzinach) przez szczytowe godziny nasłonecznienia w obiekcie, a następnie dodając margines bezpieczeństwa w celu uwzględnienia strat w systemie.
1.Określ moc znamionową pompy (w watach). Wartość ta pochodzi z znamionowej mocy wejściowej pompy, opartej na wymaganym natężeniu przepływu i całkowitej wysokości podnoszenia dynamicznego (patrz sekcja poniżej).
2.Oszacuj dzienny czas pracy. Oblicz, ile godzin dziennie pompa musi pracować, aby zaspokoić dzienne zapotrzebowanie na wodę.
3.Oblicz dzienne zapotrzebowanie na energię. Pomnóż moc pompy (W) przez czas pracy (godziny), aby otrzymać watogodziny dziennie.
4. Podziel przez godziny szczytu słońca. Szczytowe godziny nasłonecznienia oznaczają liczbę godzin w ciągu dnia, przez które miejsce otrzymuje natężenie promieniowania słonecznego odpowiadające 1000 W/m². Liczba ta różni się w zależności od lokalizacji i pory roku — w większości regionów zwykle wynosi od 4 do 6 godzin, ale w zimie lub w pochmurnym klimacie wynosi zaledwie 3 godziny.
5.Dodaj margines bezpieczeństwa. Praktyka branżowa zazwyczaj dodaje 20–30% do obliczonej mocy panelu, aby uwzględnić straty w kablach, degradację panelu w czasie, obniżenie wartości znamionowych pod wpływem temperatury i spadki wydajności w pochmurne dni.
Przykładowa formuła:
Wymagana moc układu fotowoltaicznego = (Moc pompy × Dzienne godziny pracy) ÷ Szczytowe godziny słoneczne × 1,2–1,3 (margines bezpieczeństwa)
Korzystanie z najniższych oczekiwanych szczytowych godzin nasłonecznienia w miejscu instalacji – a nie średniej rocznej – pomaga zapewnić niezawodne działanie systemu nawet w najmniej sprzyjającym sezonie.
Jakiego typu kontrolera MPPT należy użyć do pompy solarnej?
Sterownik MPPT (śledzenie punktu mocy maksymalnej) należy wybrać w oparciu o typ silnika pompy (AC lub DC), jego napięcie i prąd znamionowy oraz wymagania dotyczące mocy rozruchowej, a nie tylko moc roboczą.
Sterowniki MPPT przeznaczone do zastosowań w pompach słonecznych różnią się od standardowych regulatorów ładowania słonecznego, ponieważ muszą obsługiwać zmienny sygnał wejściowy prądu stałego z paneli, jednocześnie zarządzając charakterystyką elektryczną silnika pompy:
Systemy pomp prądu stałego
zazwyczaj łączą się z dedykowanym sterownikiem MPPT pompy solarnej, który przekształca zmienne napięcie prądu stałego panelu w stabilną moc wyjściową dla silnika głębinowego prądu stałego, dostosowując się w sposób ciągły w celu uzyskania maksymalnej dostępnej mocy w miarę zmiany światła słonecznego w ciągu dnia.
Systemy pomp prądu przemiennego
wymagają falownika/sterownika pompy słonecznej, który przekształca moc wyjściową panelu prądu stałego na moc prądu przemiennego dostosowaną do napięcia i częstotliwości silnika (np. 220 V/380 V, 50 Hz/60 Hz), często z wbudowaną funkcją VFD (przetwornica częstotliwości) do zarządzania prądem rozruchowym silnika.
Obsługa udarów rozruchowych
ma znaczenie, ponieważ silniki pomp głębinowych pobierają znacznie więcej prądu podczas rozruchu niż podczas normalnej pracy. Sterownik musi być przystosowany do obsługi tego udaru bez wyłączania lub niedostarczania mocy.
przed pracą na sucho i przeciążeniem
Zabezpieczenie
to standardowe funkcje wysokiej jakości sterowników pomp solarnych, chroniące silnik pompy przed uszkodzeniem w przypadku spadku poziomu wody lub obciążenia elektrycznego przekraczającego bezpieczne limity.
Kupujący powinni potwierdzić, że zakres napięcia wejściowego sterownika odpowiada zakresowi wyjściowemu układu fotowoltaicznego we wszystkich warunkach (w tym w zimne poranki, gdy napięcie panelu wzrasta) oraz że jego prąd znamionowy przekracza maksymalny pobór silnika pompy.
Jak określić właściwą specyfikację pompy (wysokość podnoszenia i przepływ)?
Specyfikację pompy określają dwie liczby: całkowita wysokość podnoszenia dynamicznego (całkowita odległość w pionie plus straty tarcia, które pompa musi pokonać) i wymagane natężenie przepływu (objętość wody potrzebna w jednostce czasu).
Całkowita wysokość dynamiczna (TDH) obejmuje:
pionowa odległość od poziomu wody w studni do punktu zrzutu
na dodatkowej głębokości spada poziom wody podczas pracy pompy
opór w rurociągu, w oparciu o średnicę, długość i materiał rury
wszelkie dodatkowe podniesienie lub ciśnienie potrzebne w miejscu użycia (np. podwyższony zbiornik magazynujący)
Natężenie przepływu zależy od zamierzonego przypadku użycia:
Zaopatrzenie domu w wodę:
w oparciu o wielkość gospodarstwa domowego i dzienne potrzeby konsumpcyjne
w oparciu o wielkość stada i dzienne spożycie na zwierzę
w oparciu o wymagania wodne roślin i powierzchnię upraw
Gdy znane są TDH i natężenie przepływu, te dwie liczby porównuje się z krzywą wydajności pompy (dostarczoną przez producenta), aby potwierdzić, że pompa może zapewnić wymagany przepływ przy tej wysokości podnoszenia. Zastosowania w studniach głębinowych zazwyczaj wymagają wielostopniowych pomp głębinowych, które wykorzystują wiele stopni wirnika do generowania wyższego ciśnienia potrzebnego do podnoszenia wody ze znacznych głębokości.
W jaki sposób panele fotowoltaiczne, sterownik i pompa współpracują ze sobą jako system?
Trzy komponenty muszą być zwymiarowane jako zintegrowany zestaw: zestaw paneli musi generować wystarczającą moc, aby zaspokoić zapotrzebowanie pompy na energię w godzinach szczytu w danym miejscu, sterownik musi być przystosowany do obsługi napięcia wyjściowego panelu oraz prądu rozruchowego i roboczego pompy, a pompa musi zostać dobrana pod kątem rzeczywistej wysokości podnoszenia i przepływu odwiertu – nie może być zbyt duża ani za mała w oparciu o założenia.
Niedopasowanie w jakimkolwiek pojedynczym elemencie podważa cały system:
Panele o zbyt małych wymiarach: sterownik i pompa otrzymują niewystarczającą moc, co powoduje przerywaną pracę lub brak rozruchu, szczególnie w okresach pochmurnych lub w okresach niskiego nasłonecznienia.
Niekompatybilny sterownik: niedopasowane wartości napięcia lub prądu zmniejszają wydajność, powodują wyłączenia ochronne lub, w najgorszym przypadku, uszkodzenie silnika pompy.
Pompa o nieprawidłowym rozmiarze: pompa o zbyt małej wysokości podnoszenia nie będzie dostarczać wody ze studni głębinowej, natomiast pompa o zbyt dużej wysokości podnoszenia w stosunku do zapotrzebowania będzie działać nieefektywnie i może skrócić żywotność sprzętu.
Właśnie dlatego projekt systemu pomp studni słonecznych jest korzystniejszy, gdy jest traktowany jako pojedyncze obliczenie i wykorzystuje dopasowane komponenty od dostawcy, który rozumie, jak współdziałają ze sobą, zamiast montować części z wielu źródeł bez gwarancji kompatybilności.
W jaki sposób producenci mogą wspierać dobór i zaopatrzenie na poziomie systemu?
Producenci oferujący usługi OEM/ODM mogą wspierać kupujących, dostarczając kompletne, wstępnie dopasowane zestawienie materiałów (BOM), które zestawia panele fotowoltaiczne, sterowniki MPPT i pompy zgodnie z wymaganiami dotyczącymi wysokości podnoszenia, przepływu i godzin nasłonecznienia danego obiektu, eliminując domysły związane z pozyskiwaniem poszczególnych komponentów.
