Введение

Насос, использующий солнечную энергию. Насосы, работающие на солнечной энергии, питаются от электричества, вырабатываемого фотоэлектрическими панелями (PV), или от тепловой энергии, получаемой от собранного солнечного света, в отличие от электроэнергии из сети или дизельных водяных насосов. Как правило, солнечные насосы состоят из массива солнечных панелей, контроллера заряда солнечной батареи, насоса постоянного тока, блока предохранителей/автоматических выключателей, электрической проводки и резервуара для хранения воды. Эксплуатация солнечных насосов более экономична, главным образом, благодаря сниженным затратам на эксплуатацию и техническое обслуживание, и оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем насосы с двигателем внутреннего сгорания. Солнечные насосы полезны в местах, где электроэнергия из сети недоступна или непрактична, а альтернативные источники энергии (в частности, энергия ветра) не обеспечивают достаточного количества энергии.

Компоненты

Система насосов, работающих от солнечных панелей, состоит из трех основных частей: одна или несколько солнечных панелей, контроллер и насос. Солнечные панели составляют большую часть (до 80%) стоимости системы. Размер фотоэлектрической системы напрямую зависит от размера насоса, необходимого объема воды и доступного солнечного излучения. Контроллер выполняет две основные функции. Во-первых, он согласовывает выходную мощность, получаемую насосом, с доступной входной мощностью от солнечных панелей. Во-вторых, контроллер обычно обеспечивает защиту от пониженного или повышенного напряжения, при которой система отключается, если напряжение выходит за пределы рабочего диапазона насоса. Это увеличивает срок службы насоса и снижает потребность в техническом обслуживании. Другие дополнительные функции включают автоматическое отключение системы при низком уровне воды в источнике или при заполнении резервуара, регулирование давления на выходе воды, комбинирование входной мощности от солнечных панелей и альтернативного источника питания, такого как сеть или генератор, работающий на двигателе, а также удаленный мониторинг и управление системой через онлайн-портал, предоставляемый производителем в качестве облачной услуги. Двигатели солнечных насосов могут работать от переменного (AC) или постоянного (DC) тока. Двигатели постоянного тока используются для небольших и средних применений мощностью до 4 кВт и подходят для таких задач, как садовые фонтаны, ландшафтный дизайн, обеспечение питьевой водой для скота или небольшие ирригационные проекты. Поскольку системы постоянного тока, как правило, имеют более высокую общую эффективность, чем насосы переменного тока аналогичной мощности, затраты снижаются за счет возможности использования меньших солнечных панелей. Наконец, при использовании солнечного насоса переменного тока необходим инвертор для преобразования постоянного тока от солнечных панелей в переменный ток для питания насоса. Диапазон поддерживаемой мощности инверторов составляет от 0,15 до 55 кВт и может использоваться для крупных ирригационных систем. При этом панели и инверторы должны быть правильно подобраны по размеру с учетом пусковых характеристик двигателя переменного тока. Для облегчения правильного подбора размера ведущие производители предоставляют специализированное программное обеспечение для расчета, прошедшее тестирование независимых сертифицирующих компаний. Программное обеспечение для расчета может включать прогнозируемый месячный объем подачи воды, который меняется в зависимости от сезонных изменений в инсоляции.

Насос воды

Насосы, работающие на солнечной энергии, могут обеспечивать подачу питьевой воды, воды для животноводства или воды для орошения. Поскольку потребность в воде может возникать лишь в определенные периоды года, большая фотоэлектрическая установка (ФЭУ) будет производить избыточную энергию, которая не всегда требуется, что снижает эффективность системы, если не будет найдено альтернативное применение. Солнечные фотоэлектрические системы водоснабжения используются для орошения и обеспечения питьевой водой в Индии. Большинство насосов оснащены двигателем мощностью 2,0–3,7 кВт, который получает энергию от ФЭУ мощностью 4,8 кВтp. Системы мощностью 3,7 кВт могут подавать около 124 000 литров воды в сутки при общем напоре 50 метров и динамическом напоре 70 метров. По состоянию на 30 августа 2016 года во всем мире было установлено в общей сложности 120 000 солнечных фотоэлектрических систем водоснабжения. Накопление энергии в виде запасов воды предпочтительнее, чем накопление энергии в аккумуляторах для солнечных водяных насосов, поскольку не требуется промежуточного преобразования энергии из одной формы в другую. Наиболее распространенными типами насосов являются центробежные, многоступенчатые, скважинные и шнековые насосы. Для успешного проектирования и внедрения насосов, работающих на солнечной энергии, крайне важны такие фундаментальные понятия гидродинамики, как зависимость давления от напора, напор насоса, характеристики насоса, характеристики системы и чистый напор всасывания.

Нефть и газ

Чтобы противодействовать негативной огласке, связанной с воздействием ископаемого топлива на окружающую среду, включая гидроразрыв пласта, нефтяная и газовая промышленность внедряет системы насосов, работающие на солнечной энергии. Для поддержания работы и повышения эффективности добычи многие нефтяные и газовые скважины требуют точного дозированного нагнетания различных химических веществ под давлением. Ранее эти насосы для химической обработки (CIP) приводились в действие газовыми двигателями, использующими давление газа из скважины и выбрасывающими этот газ в атмосферу. Электрические насосы на солнечной энергии (solar CIP) позволяют сократить эти выбросы парниковых газов. Солнечные панели (фотоэлектрические элементы) не только обеспечивают устойчивый источник энергии для CIP, но и могут служить источником электроэнергии для удаленной диагностики типа SCADA с дистанционным управлением и спутниковой/сотовой связью с очень удаленных объектов на настольный компьютер или ноутбук.

Стирлинг-двигатель

Вместо выработки электроэнергии для питания двигателя, солнечный свет можно сконцентрировать на теплообменнике двигателя Стирлинга и использовать для механического привода насоса. Это позволяет избежать затрат на солнечные панели и электрическое оборудование. В некоторых случаях двигатель Стирлинга может быть пригоден для локального производства, что устраняет сложности с импортом оборудования. Одной из конструкций двигателя Стирлинга является флюидиновый двигатель, в котором перекачиваемая жидкость непосредственно выполняет функцию поршня. Солнечные насосы Fluidyne изучаются с 1987 года. По крайней мере один производитель проводил испытания насоса, работающего на солнечной энергии с использованием двигателя Стирлинга.