Передвижные солнечные фотоэлектрические водоподъемные установки для орошения

Введение. Солнечные фотоэлектрические системы для подъема воды из различных источников (колодцы, скважины, реки, озера, каналы) применяются для различных целей: как для водообеспечения населения и животных, так и для орошения [1-3]. Солнечные водоподъёмные установ ки в настоящее время разработаны и изготавливаются многими фирмами разных стран, в том числе, и российскими. Эти установки характеризуют широкий диапазон установленной мощности фотогенератора: от нескольких ватт до десятков киловатт. Здесь применяют электроприводы по- стоянного и переменного тока с инверторами.

Перспективность использования фотоэлектрических водоподъемных установок состоит в том, что при их использовании можно отказаться от сложных и дорогостоящих систем аккумулирования энергии в электрохимических аккумуляторах и запасать воду в накопительных емкостях: стационарных или передвижных [4, 5]. Преимущества использования солнечной энергии именно для подъёма воды также связаны с сезонным совпадением максимума годового прихода солнечного излучения и годового максимума потребности в воде при относительно низкой вероятности наличия пасмурных дней в весенне-летнеосенний период.

Из-за относительно высокой стоимости современных кремниевых фотоэлектрических преобразователей (6070 руб./ВТПик.) использование их для водоподъёма пока применяют ограничено. Тем не менее, если в 1987 году практически действовало и эксплуатировалось более 3000 фотоэлектрических насосных установок на демонстрационных или коммерческих технологических объектах, в 1994 году количество действующих солнечных фотоэлектрических водоподъёмников за рубежом составляло уже более 10 тысяч. По данным Комиссии Европейского Сообщества по энергетике к 2010 году прогнозировалось увеличение их числа ещё в 50 раз.

Установки данного класса, как правило, работают в наиболее солнечных регионах земного шара, где интенсивность солнечного излучения достаточно высока круглый год. Поэтому в этих регионах водоподъемные установки могут использоваться с максимально возможными значениями мощности, т.е. в стационарном положении и круглый год. Так, в Израиле запущена оросительная система капельного орошения с солнечной фотоэлектрической насосной станцией. Главная идея такой системы в том, что капельное орошение весьма эффективно по расходу подаваемой воды, но требует больших напоров для прокачки воды по трубопроводам до капельниц.

Обоснование структуры системы и обсуждение. Для подъема воды из скважин фирмой (Grundfos) разработан типоразмерный ряд установок с одинаковой установленной мощностью 1500 В. В состав этих установок входят стационарная фотоэлектрическая батарея, специальный инвертор и погружной центробежный электронасос.

Инвертор преобразует постоянный ток, вырабатываемый фотоэлектрической батареей в переменный трехфазный. Кроме того, в схеме инвертора предусмотрена функция отбора максимальной мощности от фотоэлектрической батареи при изменении поступающей солнечной радиации. Для этой серии водоподъемных установок был разработан специальный погружной электродвигатель на пониженное напряжение 105 В, что в свою очередь позволило существенно упростить схему инвертора и выполнить его по бестрансформаторной схеме. Установки могут быть укомплектованы насосами с различными значениями гидравлических параметров и разным количеством рабочих ступеней.

Известная зависимость взаимосвязи основных параметров насосов

Р = 2^

10277 ’ где Q - производительность насосного оборудования;

Н - требуемый напор;

Н - КПД насосного оборудования;

7 - плотность воды, применительно к автономным системам подачи воды с электроснабжением от фотоэлектрической батареи, несет важную смысловую нагрузку.

Но потребителю требуется вода, а создаваемый при этом напор представляет собой необходимые издержки. Учитывая, что стоимость фотоэлектрических систем в настоящее время все еще высока, необходимо стремиться к поиску таких систем и технологий, где требуемые напоры будут минимальны и большая часть вырабатываемой энергии направляется на подачу расхода.

В нашей стране количество солнечной радиации имеет явно выраженный се- зонный характер, даже в южных регионах на весеннее-летний период приходится более 60% годового объема солнечной радиации. В этом и состоит основная перспективность использования солнечных установок, так как максимальное поступление солнечной радиации совпадает с потребностью орошения сельскохозяйственных культур.

В таблице приведены среднестатистические данные о числе часов солнечного сияния и месячных суммах суммарной радиации для Ростовской и Астраханской областей, где орошаемое земледелие применяется довольно широко.

Одной из перспективных технологий использования солнечных водоподъемных установок может быть применение комплектных поливных трубопроводов для орошения различных пропашных культур по бороздам. В состав таких систем входят гибкие плоскосворачиваемые трубопроводы из полимерных материалов. Основное отличие таких систем состоит в том, что для подачи из открытой оросительной сети требуется напор не более 1-3 м. Кроме то- го, так как в этих системах подача воды осуществляется по бороздам, исключаются термические удары для растений и система может работать в дневное время.

Для приблизительной оценки водоподъемной установки можно воспользоваться обобщенным параметром, предложенным в работе [3], где на основании многочисленных данных получен осред-ненный показатель 1,5-^2,0 Вт/м4сут., смысл которого состоит в том, что на подачу 1м3 расхода в сутки на высоту 1 м требуется 1,5^-2,0 Вт мощности солнечной фотоэлектрической батареи.

Для более точных расходов основных параметров солнечных водоподъемных установок фирмой Grundfos [6] разработана номограмма (рисунок 1) которая увязывает параметры насосных агрегатов, требуемые мощности фотоэлектрической батареи и интенсивность прихода солнечной радиации на плоскость фотоэлектрического генератора, находящегося под оптимальным углом к горизонту.

Номограмма позволяет на основании рабочих характеристик насосных агрегатов, полученных экспериментальным путем (рисунок 2) при различных оборотах двигателя определить суточную производительность водоподъемной установки.

Показатели энергетических ресурсов солнечной радиации

Наименование показателя	г. Таганрог Ростовской обл.		г. Астрахань
	Суммарная радиация, кВтч/м2	Продолжительность солнечного сияния, ч	Суммарная радиация, кВтч/м2	Продолжительность солнечного сияния, ч
Январь	36	53	33	67
Февраль	55	73	54	95
Март	101	142	95	261
Апрель	128	191	150	231
Май	178	259	187	300
Июнь	187	291	216	333
Июль	191	315	184	327
Август	172	301	173	314
Сентябрь	127	246	132	256
Октябрь	78	154	81	189
Ноябрь	40	81	44	110
Декабрь	27	42	26	58

Рисунок 1 - Номограмма расчета основных параметров фотоэлектрической водоподъемной установки

Рисунок 2 - Экспериментальные характеристики центробежного насоса при различных оборотах двигателя

Номограмма позволяет решить и обратную задачу: исходя из потребного суточного количества воды и зная необходимую высоту подъема воды из источника

(оросительной сети), определить требуемую мощность фотоэлектрической батареи.

Средняя величина прихода суммарной солнечной радиации в весенне-летний и осенний периоды для южных регионов страны составляет 1,2-1,5 кВтч/м" при годовом числе часов солнечного сияния 2200-2400 (более точные цифры можно уточнить на ближайшей метеостанции).

Представленная номограмма представляет собой некоторый аналог водноэнергетических расчетов, так как не в полной мере учитывает особенности использования технологии орошения с использованием низконапорных трубопроводов. Представленная номограмма разработана для многоступенчатых погружных центробежных электронасосов, которые могут работать и с низкими напорами, но эффективность их (КПД) при этом становится весьма низкой, так как насос будет работать не в оптимальной зоне.

Для оптимального сочетания параметров О и Н в насосных агрегатах с напорами менее 5 м наиболее целесообразно применение насосов с осевыми рабочими колесами. Именно такие насосные агрегаты применяются для подъема воды в мелиора тивных системах и гидротехнических шлюзах, но, как правило, это крупные насосные агрегаты на десятки и сотни киловатт. КПД таких насосов весьма высок, превышает 90%. Таким образом, основная задача для широкого применения солнечных фотоэлектрических установок для орошения состоит в разработке небольших насосных агрегатов мощностью до 1,0 кВт с осевыми рабочими колесами с напором 2-3 м.

На рисунке 3 показан пример передвижной фотоэлектрической станции установленной мощности 800 Вт в развернутом положении. Весогабаритные параметры такой системы позволяют транспортировать ее с помощью мотоблока мощностью до 5 л. с. Фотоэлектрические установки мощностью до 1,0 кВт площадью 6-8 м" могут быть смонтированы на поплавках, и в таком случае их можно перемещать непосредственно по оросительным каналам.

Рисунок 3 - Передвижная фотоэлектрическая станция мощностью 800 Вт в развернутом положении

Вывод. В настоящее время в России практически не изготавливаются передвижные солнечные фотоэлектрические водоподъемные установки для орошения. Потребность в подобных установках сегодня высока в связи с активизацией агропромышленного комплекса, в частности, на юге страны. Возможности реализации этих проектов реальны и экономически обоснованы, но требуют привлечения внимания малого бизнеса для оперативного решения задачи по внедрению установок, применение которых за рубежом с каждым годом растет.