بررسی ساختار پمپ های فتوولتائیک

  • Solar Pumping System-5

بررسی ساختار پمپ های فتوولتائیک

چکیده :

در این مقاله به بررسی ساختار یک سیستم پمپاژ فتوولتائیک و معرفی انواع پمپ های فتوولتائیک می پردازیم.یک سیستم پمپاژ آب فتوولتائیک شبیه هر سیستم پمپاژ دیگری است با این تفاوت که منبع انرژی، انرژی خورشیدی است. این سیستم ها دارای اجزایی شامل: پنل فتوولتائیک،پمپ ، موتور و کنترلر آن هستند. سیستم های پمپاژ آب فتوولتائیک ساده، قابل اعتماد و با هزینه نگهداری پایین هستندمهمترین ویژگی سیستم های پمپاژ فتوولتائیک این است که این سیستم ها قابل اعتماد و با دوام هستند، به هیچ سوختی نیاز ندارند و هزینه تعمیر و نگهداری بسیار کمی نیاز دارندمزایای پمپاژ آب فتوولتائیک هزینه کم سیستم در بلند مدت نسبت به سیستم های جایگزین نظیر سیستم هایی است که با گازوییل یا بنزین کار می کنندهمچنین باید خاطر نشان کرد برای دستیابی به حداکثربازدهی در یک سیستم پمپاژ آب خورشیدی، آبی که پمپ می شود باید برای کاری استفاده شود که توجیه اقتصادی داشته باشد.

واژگان کلیدی : ارائه فتوولتائیک- پمپ فتوولتائیک- بارهیدرولیک

مقدمه :

انرژی فتوولتائیک اغلب کم هزینه ترین جایگزین در مقایسه با شبکه سراسری برق برای کاربرد در محل های دور از دسترس یا مکان هایی است که بارگذاری در آنجا کم است.انرژی فتوولتائیک برای مناطق دور از دسترسی مناسب است که کوچکتر از آن هستند که از طریق سیم کشی انرژی را تأمین کنند. برخی از کاربردهای مقرون به صرفه از نظر اقتصادی علاوه بر پمپاژ آب شامل تامین برق مناطق مسکونی، نورپردازی، آبیاری در ابعاد کوچک، سیستم های خنک کننده و حصارهای الکتریکی است.پمپاژ آب یک نیاز کلی برای کشاورزی است و استفاده از انرژی فتوولتائیک یک انتخاب طبیعی برای این کاربرد است. آبیاری زراعتی معمولا در روزهای آفتابی تابستان بیشتر مورد نیاز است، این در حالی است که آب بیشتری از طریق سیستم انرژی خورشیدی قابل پمپاژ است. نواحی خشک که بالاترین نیاز به آب را دارند، بالاترین میزان تابش نورخورشید را هم دارا می باشند. سیستم های پمپاژ فتوولتائیک امکان پشتیبانی از طیف وسیعی از نیازها از پمپ های دستی کوچک تا پمپ های آبیاری بزرگ که بوسیله ژنراتور راه اندازی می شوند، را دارا می باشند.درآبیاری قطره ای، آبیاری بوسیله لوله کشی، آبیاری کرتی، آبیاری غرقابی، آبیاری بارانی به ندرت ازسیستم های فتوولتائیک استفاده می شود. سیستم های پمپاژ آب فتوولتائیک ساده، قابل اعتماد و با هزینه نگهداری پایین هستند. امروزه دهها هزار سیستم پمپاژ آب فتوولتائیک در مزارع کشاورزی در سراسر دنیا وجود دارند. مهمترین ویژگی سیستم های پمپاژ فتوولتائیک این است که این سیستم ها قابل اعتماد و با دوام هستند، به هیچ سوختی نیاز ندارند و هزینه تعمیر و نگهداری بسیار کمی نیاز دارند.

مهمترین ویژگی سیستم های پمپاژ فتوولتائیک این است که این سیستم ها قابل اعتماد و با دوام هستند، به هیچ سوختی نیاز ندارند و هزینه تعمیر و نگهداری بسیار کمی نیاز دارند. نقطه ضعف اصلی سیستم های فتوولتائیک، هزینه اولیه راه اندازی بسیار بالای این سیستم هاست.یک سیستم پمپاژ آب فتوولتائیک شبیه هر سیستم پمپاژ دیگری است با این تفاوت که منبع انرژی، انرژی خورشیدی است. این سیستم ها حداقل دارای پنل فتوولتائیک،یک پمپ ، یک موتور و کنترلر آن هستند. پنل فتوولتائیک معمولا بر روی یک پایه قابل چرخش (بدون موتور) نصب شده است تا جهت تابش خورشید را در طول روز دنبال کند، هدف از این کار افزایش زمان و حجم آب پمپاژ شده است. موتورهای DC و ACگریز از مرکز، جابجا شونده یا پمپ حلزونی معمولا با سیستم های پمپاژ فتوولتائیک استفاده می شوند. اگر واقعا نیاز باشد، مجموعه ای از باطری ها جهت ذخیره انرژی مستقیما مورد استفاده قرار می گیرد (معمولا در سیستم های مسکونی از این راه حل استفاده می شود.) اما راه حل ساده تر و کم هزینه این است که آب در مخزن ذخیره شود.مزایای پمپاژ آب فتوولتائیک هزینه کم سیستم در بلند مدت نسبت به سیستم های جایگزین نظیر سیستم هایی است که با گازوییل یا بنزین کار می کنند. پمپاژ فتوولتائیک هیچگاه کم هزینه ترین گزینه برای حالاتی که در آن زیر ساخت برق از گذشته موجود بوده نخواهد بود. پمپ های آب فتوولتائیک به اپراتور مستقر در محل نیاز ندارد و تاثیرپذیری بسیار اندکی از محیط پیرامون خود دارد (آلودگی آب،هوا،ویاسروصدا تاثیر چندانی روی آن ندارد).

یکی دیگر از ویژگی های این سیستم، جزء جزء بودن آن است که برای صاحب سیستم امکان طراحی سیستم متناسب با نیاز خود را فراهم می کند و همچنین باعث می شود که بتوان با افزایش نیاز به پمپاژ آب، سیستم را گسترش داد. سیستمی که به خوبی طراحی و نصب شده باشد، به راحتی قابل نگهداری و استفاده است. به منظور ساخت یک سیستم پمپاژ آب فتوولتائیک ، بهتر است که اطلاعاتی در مورد مفاهیم اولیه مثل انرژی خورشیدی، فتوولتائیک، سیستم های هیدرولیک آب ،پمپ ها، موتورها، و سایر نیازمندی های سیستم داشته باشید.

بار هیدرولیک :

مقدار آبمورد نیاز روزانه برای تعیین اندازه و هزینه سیستم پمپاژ آب کافی نیست. مقدار بار دینامیکی کل (TDH) باید در نظر گرفته شود(ارتفاع پمپاژ +  ارتفاع تخلیه + افت کششی + تلفات اصطکاک درسرتاسرطول لوله). برای مثال برای پمپاژ یک متر مکعب آب با مقدار بار دینامیکی کل به مقدار۱۰مترتا پمپاژ آب با مقدار بار دینامیکی کل به مقدار۵متر انرژی بیشتری لازم است.

یک فرمول کاربردی برای محاسبه سریع اینکه یک پروژه گزینه خوبی برای استفاده از انرژی خورشیدی در پمپاژ آب است مشخص کردن بار هیدرولیک یا عملکرد هیدرولیکی است. حاصل ضرب مقدار روزانه آبی که مورد نیاز است (در واحد متر مکعب) در مقدار بار دینامیکی کل (در واحد متر) امکان تخمین در مورد سیستم پمپاژ (با واحد متر) خواهد بود. نتیجه این محاسبه را بار هیدرولیک می نامند و شاخص بسیار خوبی برای انرژی مورد نیاز برای پروژه است. اگر نتیجه کمتر از۴(متر)۱۵۰۰باشد، آنگاه پروژه به احتمال زیادبا استفاده از فتوولتائیک قابل انجام است.اگر بین ۴(متر)۱۵۰۰تا۴(متر)۲۰۰۰باشد ممکن است به وسیله انرژی خورشیدی انجام پذیر باشد و اگر مقدار بار هیدرولیک بیش از ۴(متر)۲۰۰۰باشد به طور کلی باید یک تکنولوژی غیر از انرژی خورشیدی برای پروژه در نظر گرفته شود. برای مثال لازم است ۵مترمکعب آب با مقدار بار دینامیکی کل۱۵مترپمپاژ شود، بنابراین بار هیدرولیک۴(متر)۷۵خواهد بود. به طور مشابه اگر ۱۵مترمکعب آب با مقدار بار دینامیکی کل۵متر پمپاژ شود، باز هم بار هیدرولیک ۴(متر)۷۵خواهد بود. در هر دو حالت انرژی موردنیاز و هزینه تخمینی سیستم یکسان خواهد بود. وقتی نیاز بسیار بیشتر از امکانات سیستم های پمپاژ خورشیدی باشد چه خواهد شد؟ تجربیات نشان داده که یک پروژه ازلحاظ اقتصادی، زمانی عملی است که مقدار بار هیدرولیک آن کمتر از ۴(متر)۱۵۰۰باشد. اجرای سیستم های پمپاژ آب در حالتی که مقدار بار هیدرولیک آن بیشتر از ۴(متر) ۲۰۰۰ باشد بوسیله موتورهای احتراق داخلی یا انرژی باد به صرفه تر خواهد بود

انواع پمپ های مورد استفاده درسیستم پمپاژ خورشیدی :

پمپ های معمولی آب چاه برای اجر ابا سرعت ثابتی ازیک منبع قدرت پایدار طراحی شده اند .بااین حال،قدرتی آرایه فتوولتائیک(به مجموعه چندسلول فتوولتائیک که درکناریکدیگر،یک صفحه راتشکیل می دهند،پنل یامدول گفته میشود وبه مجموعه پنلهای فتوولتائیک، یک آرایه فتوولتائیکگفته میشود.) باشدتابش خورشیدی و بازاویه آفتاب درآرایه متفاوت است. سرعتی که پمپ خورشیدی براین اساس متفاوت است.به همین دلیل، برخی ازتولیدکنندگان پمپ های انرژی خورشیدی متفاوتی را طراحی کرده اند.ازنقطه  نظرمکانیکی، این پمپ  ها در دودسته  قرارمی گیرند :گریز ازمرکز و جابجایی مثبت (حجمی).

پمپ های گریز از مرکز :

این پمپ ها دارای یک یاچند پره هستند که چرخش پره های آن منوط به نیروی گریزازمرکز می باشد. برای دستیابی به پمپ بالابر(پمپاژ آب بصورت عمودی) ، پمپ گریزازمرکز ممکن است دارای چند مرحله باشد که هر یک شامل پروانه می شود .هرمرحله به ظرفیت پمپ بالابر می افزاید.پمپ های گریزاز مرکزممکن است بیش از ۲۰ مرحله برای رسیدن به بالابراستفاده کنند . هرمرحله نه تنها فشار اضافه میکندبلکه اصطکاک را نیز تحمیل میکند ،ودرنتیجه درهرمرحله حدود ۵٪ازبازدهی خود را از دستمی دهد .پمپ های گریزاز مرکز اتعداد مراحل بیشتر میتواندبازده انرژی ضعیف داشته باشد و همیشه برای پمپاژخورشیدی مطلوب نیست. پمپ های گریز از مرکز برای جریان بیش از ۴۰ لیتر در متر و برای بالابر های کمتر از ۴۰ متر کارآمد هستند. درنرخ جریان پایین وبالابرهای با ارتفاع بالاتر، بهره وری ضعیف است. درسرعتهای پایین که درشرایط کم نورخورشیدرخ میدهد ،پمپهای گریز از مرکز بازدهی خودرابه شیوهای نامتناسب از دست می دهند .به این دلایل، پمپ های باجابجائی مثبت برای اکثرسیستم هایی مورداستفاده قرار میگیرند که نیازبه ارتفاع بالاتر ،به ویژه درحجم  نسبتاکم است .

شکل۱ : نمایی از یک پمپ گریز از مرکز

 

 

 

 

 

شکل۱ : نمایی از یک پمپ گریز از مرکز

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

پمپ های جابجایی مثبت :

پمپ جابجایی مثبت ، آب را در داخل محفظه در بسته جذب میکند و سپس آن را به صورت مکانیکی مجبور به خروج میکند . یک پمپ خورشیدی ممکن است از دیافراگم، به جای آن یا از روتور حلزونی شکل که آب را در حفره ها به تله می اندازد استفاده کند. این پمپ ها دارای بالابری با ظرفیت بالا و راندمان انرژی بالا هستند. آنها برای میزان جریان کمتر مطلوب اند ( بعنوان مثال ۵۰ لیتر در متر ) به خصوص هنگامی که (ارتفاع )بالابر بیش از ۱۵ متر باشد .پمپ های جابجایی مثبت برای اکثر پمپ های خورشیدی درمحدوده قدرت۵۰۰ وات ویاکمتر استفاده میشود. بازدهی بالابر و ظرفیت این پمپ، حتی درسرعتهای پایین برای موتور، بالا باقی می ماند.

مقایسه پمپ های سطحی با پمپهای شناور:

یک پمپ سطحی پمپی است که نمی توانددرآب شناور بماند (شکل ۲را مشاهده کنید). آن ( پمپ سطحی )میتواندبالاترازمنبع آب نصب شود و آب را از طریق مکش بالا بکشد.پمپ نبایدبیش از۳/۶متربالاتر ازسطح عمودی منبع آب قرار بگیرد .درغیراینصورت، حبابها ازآب استخراج شده وپمپ با شکست مواجه خواهد شد .یک پمپ سطحی می تواند برای برداشت آب از یک رودخانه ، خندق آبیاری، تالاب، یامخزن آب، امانه ازیک چاه عمیق طراحی گردد .این ممکن است ارزانتر ازیک پمپ شناور وکارآمدتر برای پمپاژ باحجم بالا باشد .بااین حال،پمپ شناوراغلب برای نصب ساده تر، برای حفاظت از محیط زیست بهتر و احتمال آسیب کمتری درحالت عملکرد خشک دارد (شکل۳).

 

 

 

 

 

 

شکل ۲ : نمایی از یک پمپ گریز از مرکز سطحی

 

شکل ۳ : نمایی از یک پمپ گریز از مرکز شناور

 

پمپ مارپیچ دوار شناور:

پمپ مارپیچ دوار شناور یک مکانیزم پمپ جابجایی مثبت است که به یک موتور شناور نصب شده است. بسیاری از پمپ های خورشیدی جدیدتر، این سبک طراحی را به کار می گیرند(شکل های ۴ و ۵)

 

 

شکل ۴ : پمپ مارپیچ دوار شناور ، به همراه کنترل کننده

 

شکل ۵ : نمایی از یک پمپ مارپیچ دوار

پمپ دیافراگمی شناور:

پمپ های دیافراگمی شناور (شکل ۶) آب را با استفاده از یک دیافراگم از جنس مواد مصنوعی قابل انعطاف جا به جا می کند .دیافراگم پس از حدود ۲ یا ۳ سال استفاده مداوم شکسته میشود . تولید کنندگان این پمپ ها کیت جایگزین دیافراگم را ارائه کرده اند ، اگر استفاده از دیافراگم با مشکل مواجه گردد سرازیر شدن سیلاب موتور را از بین میبرد .از این رو،تعمیر و نگهداری پیش از موعد ، برای جایگزینی دیافراگم قبل از مواجهه با مشکلی باید صورت گیرد .این پمپ ها از موتور های جاروبک دار استفاده میکنند ، که نیاز به تعویض جاروبک در فواصل ۳ تا ۵ سال دارد .یک پمپ دیافراگمی زمانی که هزینه های اولیه حداقل باشد ، نیاز به حجم آب بسیار پایین باشد و هنگامی که هزینه تعمیر و نگهداری پمپ در آینده و تعویض آن مورد قبول باشد ، استفاده می شود.

 

شکل ۶ : پمپ های دیافراگمی شناور

انواع موتورهای مورد استفاده برای پمپ های خورشیدی :

آرایه فتوولتائیک برق DC در یک سطح قدرت تولید میکند که با شدت نورخورشید تغییر میکند .برای انجام عملیات توسط یک پمپ به طور مستقیم در حالت منحصر به فردی منبع انرژی، نیازمند نوع خاصی از موتور یا سیستم موتور / کنترل است.دو نوع اصلی موتورهای پمپ خورشیدی وجود دارد: موتور های جاروبک دار و موتور های بدون جاروبک.موتورهای جاروبک دار نوع سنتی موتور DC است که با باتری برای چندین دهه مورد استفاده هستند. “جاروبک” قسمت کوچکی از رسانای الکتریکی از جنس گرافیت، کربن است .آنها در برابر بخش در حال چرخش موتور (کموتاتور) قرار داشته و در حال هدایت جریان به داخل آن هستند .این باعث ایجاد جریان به طور متناوب (برای تبدیل شدن به AC) در موتور می شود .این فن آوری ساده دو عیب اصلی دارد : (۱) جاروبک فرسوده و باید به صورت دوره ای تعویض شود و (۲) موتور باید با هوا پر شده باشد ( نه با مایع )  و باید ۱۰۰٪ در برابر نشت آب ایزوله باشد.این معایب عمده برای پمپ های شناور هستند .

موتور های جاروبک دار اغلب برای پمپ های سطحی مورد استفاده هستند و جایی که آنها خشک نگه داشته شوند و دسترسی به آنها آسان باشد.موتور بدون جاروبکDC اشاره به یک نوع خاصی از موتور AC دارد که برای تبدیل  DCبهبرق متناوب AC توسط یک کنترل الکترونیکی تحریک می گردد .کنترلر در موتور بدون جاروبک، همان وظیفه جاروبک و کموتاتور را در موتورجاروبک دار انجام می دهد .موتور بدون جاروبک دو مزیت مهم دارد: (۱)هیچ جاروبکی برای آن نیست (۲)موتور می تواند با روغن یا آب پر شود. مطمئن ترین پمپ های شناور خورشیدی در داخل دستگاه از آب بعنوان یک روان کننده و برای از بین بردن آلودگی ناشی از روغن استفاده میکنند .

کنترلر پمپ خورشیدی :

دو نوع کنترلر پمپ خورشیدی برای هر دو نوع موتور وجود دارد:

  • کنترل کننده ( افزاینده ی خطی جریان ) برای موتور جاروبک دار:پمپ با جابجایی مثبتنیاز به یک افزایش جریان جهت راه اندازی و افزایش سرعت در برابر فشار ثابت تحمیل شده از سوی آب در لوله را دارد . آرایه فتوولتائیک ممکن است برای افزایش تولید مورد نیاز در شروع به اندازه کافی بزرگ نباشد، به ویژه در شرایط کم نور، وقتی تولید جریان کاهش می یابد. یک تقویت کننده خطی جریان (LCB) میتواند در حالی که آرایه فتوولتائیک باعث افزایش جریان میگردد ، موجب کاهش ولتاژ شود .این (تقویت کننده ) برای راه اندازی پمپ به کار رفته و آن مانع از ایجاد تاخیر در شرایط کم نور می شود .پمپ گریز از مرکز جاروبک دار اغلب بدون LCB عرضه می شوند زیرا به راحتی راه اندازی شده و کشش جریان آنها با افزایش سرعت کاهش می یابد .یک کنترلر LCB در طول دوره های کم تابش بهره وری خود را افزایش خواهند داد اما افزایش عملکرد آنها نسبتا کوچک است.
  • کنترل کننده موتور های بدون جاروبک پمپ خورشیدی: کنترل کننده ی یک موتور بدون جاروبکشامل نوع خاصی از اینورتر ( مبدل DC به AC است ) که تابع عملکرد LCB و منطبق بر سرعت موتور با توان در دسترس است .قدرت سه فاز AC در راه اندازی بهینه است و این موتور بازدهی بالا دارد .کنترلر ، سرعت موتور را برحسب تغییر فرکانس برق متناوب AC تغییر می دهد .یک پمپ بدون جاروبکبه طور معمول با یک کنترلر به فروش می رسد که به طور خاص برای آن طراحی شده است .

 

کنترلر پمپ خورشیدی دیگر توابع کنترل را برای پمپاژ خورشیدی که موثر و کارآمد باشد با یکدیگر ترکیب میکند .یک کنترل کننده معمولی دارای قابلیت اتصال سوئیچ شناور برای جلوگیری از سر ریز مخزن ذخیره سازی است .هنگامی که مخزن پر میشود ، سیگنال های سوئیچ کنترلر پمپ را خاموش میکند .وقتی که سطح قطرات آب شناور با سوئیچ شروع به راه اندازی مجدد میکنند ،این امر از جاری شدن سیل،سایش غیر ضروری پمپ ها و اتلاف آب جلوگیری میکند . اکثر پمپ های خورشیدیاگر در حالت خشک عمل کنند آسیب خواهند دید ، بنابراین اکثر کنترلر پمپ ها یکسیستم جلوگیری از عملکرد خشک دارند . برایاین امر ممکن از سنسوری که در بالای محل مصرف پمپ نصب شده ، استفاده کنید.اگر سطح آب به زیر پروب برود ، یک جریان الکتریکی آغاز شده و کنترل پمپ متوقف خواهد شد. زمانی که سطح آب بهبود یابد ، کنترلر صبر میکند تا سطح (آب )افزایش یابد ،(معمولا یک تاخیر ۲۰ دقیقه رخ می دهد ) و سپس پمپ راه اندازی مجدد می گردد .پمپ های دیگر از یک سوئیچ حرارتی استفاده میکنند ، به طوری که اگر افزایش درجه حرارت آغاز شود ، به دلیل راه اندازی در حالت خشک ،پمپ به طور خودکار خاموش می شود .کنترلر همچنین دارای حفاظت اضافه بار برای جلوگیری از آسیب است ، در صورتی که عملکرد پمپ بر اثر گرد و خاک متوقف شود، یخ ، لوله شکسته شده ، و یا یک شیر بسته شده است. کنترلر نیز باید با اضافه بار مناسب و حفاظت دربرابر جریان مخالف نصب شود.

انتخاب پمپ :

فرآیند انتخاب یک پمپ ، برای موفقیت یک پروژه بسیار حیاتی است. یک پمپ خورشیدی باید به نحو احسن از انرژی استفاده کند چون جهت تامین قدرت ( پمپ ) آرایه فتوولتائیک گران قیمت ترین بخش سیستم است . هرکدام از انواع پمپ ها مزایا و معایبی دارند و ویژگی های مختلفی را جهت استفاده ی تجهیزات در محدوده های مختلف ارایه میکنند .فرآیند انتخاب پمپ می تواندبا توجه به بسیاری از فناوری های در دسترس و بسیاری از مدل های موجود پیچیده شود . برای کمک در انتخاب بهترین نوع پمپ جدول ۱ به مقایسه معایب و مزایای پمپ ها می پردازد.

معایب مزایا انواع پمپ خورشیدی
 

بهره وری ضعیف درحجم کم ( <۳۰ لیتر در متر )

ظرفیت بالابردرسرعتهای کم (درشرایط نورکم خورشید) تاحدزیادی کاهش می یابد .

 

 

 

 

ساده ، قطعات چرخشی ( محرک ) نیازمند تعمیرات منظم نمی باشد ، درجریان بالا موثر هستند

برای مقدارمتوسطی ازشن وماسه وگل ولای دوام خوبی دارند .

 

 

 

 

گریزاز مرکز

 

 

 

ساده ،بخش متحرک نیازمندتعمیرونگهداری منظم می باشد.ازسرعت جریان پایین به متوسط بسیار پر بازده است .( ۵۰-۴ لیتر در متر ) ، ظرفیت بالابر را نیز در در سرعت های پایین حفظ میکند. برای مقدارمتوسط یازشن وماسه وگل ولای تحمل خوبی دارد .  

پمپ روتورمارپیچ

 

نیازبه تعمیرونگهداری پیشگیرانه به طورمنظم دارد.

عدم تحمل شن وماسه وگل ولای

هزینه اولیه پایین

موثربا نرخ بهره جریان بسیارکم (۲۰-۴ لیتر درمتر)

حفظ ظرفیت کامل بالابر حتی درسرعت پایین

 

 

پمپ شناور دیافراگمی

حدمکش درحدود۶ متر است ، با عملکرد در حالت خشک دچار آسیب می گردد ، و در هوای بسیار سرد منجمد میشود. کم هزینه، برای بالابر با ارتفاع پائین و نرخ جریان بسیاربالا کارآمد است ، برای رسیدگی آسان است و برای مقدارمتوسطی ازشن وماسه وگل ولای تحمل خوبی دارد .  

گریزازمرکزسطحی

 

جدول۱:مشخصات پمپ

درباره نویسنده

commandcontrol

بدون دیدگاه

گذاشتن دیدگاه