Какой водяной насос на солнечной энергии лучше всего подходит для ваших нужд? Полное руководство покупателя

Лучшим водяным насосом на солнечной энергии для большинства пользователей является бесщеточный погружной насос постоянного тока в сочетании со специальной солнечной панелью мощностью от 50 до 200 Вт, в зависимости от скорости потока и требований к высоте подъема. Для орошения и поения скота поверхностный солнечный насос с входной мощностью от 100 до 300 Вт справляется с большинством автономных задач на фермах. Для глубоких скважин глубиной более 30 метров погружной скважинный насос на солнечной энергии с контроллером MPPT (отслеживание максимальной мощности) является единственным надежным выбором. Правильный выбор насоса зависит от глубины источника воды, требуемой скорости потока, количества часов солнечного света и необходимости резервного аккумулятора.

Глобальный водяной насос на солнечной энергии По данным Grand View Research, рынок достиг 1,95 миллиарда долларов США в 2023 году и, по прогнозам, среднегодовой темп роста (CAGR) составит 7,8 процента до 2030 года. Этот рост обусловлен снижением стоимости солнечных панелей, ростом цен на электроэнергию и увеличением спроса на автономные решения для водоснабжения в сельском хозяйстве, отдаленных районах и развивающихся регионах, где доступ к сети ненадежен или непомерно дорог.

Если вы хотите оросить сад, подать воду в отдаленный домик, откачать воду из пруда для скота или поднять воду из глубокой скважины, Солнечная система водяного насоса может полностью исключить счета за электроэнергию для этой важной функции. В этом руководстве описаны все типы насосов, основные характеристики, на что обратить внимание и как подобрать правильный солнечный насос для вашего конкретного применения.

Как работает система водяного насоса на солнечной энергии

Водяной насос на солнечной энергии преобразует солнечный свет непосредственно в электричество постоянного тока через фотоэлектрические (PV) панели, которые приводят в действие двигатель насоса без необходимости использования сетевого электричества или топлива. Система работает по принципу, согласно которому производительность насоса отслеживает доступную солнечную энергию: скорость потока увеличивается при ярком полуденном солнце и уменьшается в пасмурную погоду или перед восходом и закатом солнца.

Полная солнечная насосная система состоит из следующих компонентов:

• Солнечные панели (PV массив): Монокристаллические панели наиболее эффективны (КПД от 20 до 23 процентов) и входят в стандартную комплектацию качественных комплектов солнечных насосов. Поликристаллические панели дешевле, но немного менее эффективны (от 15 до 17 процентов).
• Контроллер солнечного насоса: Регулирует напряжение и ток между панелями и двигателем насоса. Контроллеры MPPT извлекают до 30 процентов больше энергии из массива панелей по сравнению с более простыми контроллерами ШИМ (широтно-импульсной модуляции), особенно в условиях частичного затенения или переменной освещенности.
• Двигатель насоса и головка насоса: Двигатель преобразует электрическую энергию в механическое вращение. Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) являются стандартными для современных солнечных насосов, поскольку они исключают износ щеток, сокращают расходы на техническое обслуживание и достигают эффективности от 85 до 92 процентов по сравнению с 65–75 процентами для коллекторных двигателей постоянного тока.
• Резервуар для хранения или аккумуляторный блок (опционально): Резервуар для хранения над выпускным отверстием насоса хранит воду в часы пик солнечной активности для использования ночью или в пасмурные периоды. Аккумуляторная батарея увеличивает стоимость, но позволяет работать в темноте и обеспечивает защиту от погодных изменений.
• Поплавковые выключатели и защита от сухого хода: Системы обеспечения качества включают в себя поплавковые выключатели для остановки перекачки, когда резервуар для хранения полон, а также датчики защиты от сухого хода, которые отключают насос, если источник воды падает ниже входного отверстия насоса, предотвращая перегорание двигателя.

Типы водяных насосов на солнечной энергии: какой из них подходит для вашего применения?

Солнечные водяные насосы делятся на четыре основные категории в зависимости от метода установки и применения, и выбор правильного типа является самым важным решением при проектировании надежной солнечной насосной системы.

1. Солнечные погружные насосы

Погружные насосы для солнечных батарей являются наиболее универсальным и широко используемым типом, подходящим для колодцев, скважин, резервуаров, цистерн и прудов, где двигатель насоса и рабочее колесо полностью погружены в источник воды. Поскольку двигатель охлаждается водой из окружающей среды, погружные насосы могут работать в течение длительного времени без перегрева, что делает их идеальными для непрерывной работы на солнечной энергии.

Основные характеристики погружных насосов для солнечной энергии:

• Неглубокая погружная скважина (глубина от 0 до 10 метров): Обычно 12 В или 24 В постоянного тока, мощность солнечной энергии от 30 до 150 Вт, скорость потока от 1 до 10 литров в минуту. Лучше всего подходит для садовых прудов, дождевых бочек и неглубоких колодцев.
• Погружной скважинный насос для глубоких скважин (глубина от 10 до 100 метров): Работает от 48 В до 120 В постоянного тока или 220 В переменного тока (через солнечный инвертор), требует солнечной батареи мощностью от 200 до 1500 Вт. Имеет тонкий цилиндрический профиль (обычно диаметром 4 или 6 дюймов), подходящий для стандартных обсадных труб. Общая высота головы обычно составляет от 50 до 200 метров.
• Защита двигателя: Обратите внимание на степень водонепроницаемости IP68 (погружение на глубину более 3 метров на неопределенный срок), корпус из нержавеющей стали 304 или 316 для обеспечения коррозионной стойкости в богатых минералами грунтовых водах и защиту от тепловой перегрузки.

2. Солнечные поверхностные насосы

Солнечные поверхностные насосы устанавливаются над землей и забирают воду из открытого источника (пруда, ручья, резервуара или мелкого колодца) через всасывающую трубу, что упрощает их установку и обслуживание, чем погружные модели, но ограничивает высоту всасывания 7–8 метров из-за ограничений атмосферного давления.

Поверхностные солнечные насосы являются предпочтительным выбором для орошения прудов или рек, водоснабжения скота из поверхностных источников воды и перекачки воды между резервуарами для хранения. Обычно это самовсасывающие центробежные или объемные конструкции, питаемые от солнечных батарей мощностью от 100 до 400 Вт. Поскольку двигатель расположен над землей и имеет воздушное охлаждение, температура окружающей среды имеет значение: производительность может снижаться на 5–10 процентов на каждые 10 градусов Цельсия выше 25 градусов Цельсия (температура стандартных условий испытаний).

3. Солнечный фонтан и специальные насосы

Солнечные фонтанные насосы — это небольшие декоративные или аэрационные насосы малой мощности, предназначенные для садовых прудов, купалей для птиц и водных объектов, работающие непосредственно от небольшой солнечной панели без контроллера или батареи. Это самая простая и наименее дорогая категория солнечных насосов (обычно от 15 до 80 долларов за комплект), но скорость потока напрямую зависит от мгновенной интенсивности солнечного света, а это означает, что фонтан замедляется или останавливается, когда проходят облака.

Для применений, требующих аэрации (садовые пруды, аквариумы, аквакультура), солнечные аэрационные насосы прокачивают воздух, а не воду, и очень эффективно поддерживают уровень растворенного кислорода, используя всего от 5 до 30 Вт солнечной энергии.

4. Солнечные повысительные насосы

Солнечные повысительные насосы повышают давление воды в существующей трубопроводной системе, заменяя или дополняя напорный бак и узел манометрического выключателя в автономных домах или отдаленных зданиях, в которых есть хранилище воды с гравитационной подачей, но недостаточное давление для душа, бытовой техники или капельного орошения.

Подкачивающий солнечный насос установлен в трубопроводе подачи воды и активируется по требованию при обнаружении потока. Он работает при напряжении 24 В или 48 В постоянного тока от небольшой солнечной панели или батареи, повышая давление с 5–10 фунтов на квадратный дюйм гравитационной подачи до 30–50 фунтов на квадратный дюйм, необходимых для обычных бытовых светильников. Потребляемая мощность обычно составляет от 60 до 200 Вт, что делает их совместимыми с одной панелью мощностью от 100 до 200 Вт или небольшим аккумуляторным блоком.

Ключевые характеристики, которые следует учитывать при выборе лучшего солнечного водяного насоса

Пять технических характеристик определяют, сможет ли солнечный насос удовлетворить ваши требования: общий напор, расход, мощность солнечной панели, рабочее напряжение и тип двигателя. Понимание этого перед покупкой предотвращает самую распространенную ошибку: покупку насоса, который не может подавать необходимый объем воды при имеющемся напоре.

Какой солнечный водяной насос лучше всего подходит для каждого применения?

Подбор типа и спецификации насоса для конкретного применения является наиболее важным фактором в обеспечении надежной и эффективной работы солнечной насосной системы.

На что обратить внимание при выборе лучшего водяного насоса на солнечной энергии

Помимо основных характеристик, семь факторов качества и надежности отличают солнечный насос, который прослужит 10 и более лет, от насоса, который выходит из строя в течение первого года использования на открытом воздухе.

1. Интеграция контроллера MPPT

Встроенный контроллер солнечного насоса MPPT — это наиболее эффективное обновление производительности солнечной насосной системы, обеспечивающее до 30 процентов больше ежедневной производительности воды по сравнению с базовым контроллером прямого подключения или ШИМ. Технология MPPT постоянно рассчитывает оптимальную рабочую точку солнечной батареи и соответствующим образом регулирует напряжение и ток, подаваемые на двигатель, максимизируя отдачу энергии при любых условиях освещенности, включая частичную облачность и низкое солнце рано утром или поздно вечером.

Для глубоких скважин, где важен каждый литр воды в день, MPPT необходим. Солнечная батарея мощностью 300 Вт в сочетании с контроллером MPPT в месте с 5 пиковыми солнечными часами в день будет передавать примерно 1500 Втч энергии на двигатель насоса по сравнению с примерно 1050–1200 Втч с контроллером ШИМ. За 30-дневный месяц эта разница может составлять тысячи дополнительных литров доставленной воды.

2. Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC).

Бесщеточные двигатели постоянного тока являются очевидным выбором для любого солнечного насоса, который, как ожидается, будет надежно работать более 2 лет, предлагая срок службы двигателя от 20 000 до 30 000 часов по сравнению с 1 000–3 000 часов для коллекторных двигателей постоянного тока. Двигатели BLDC не имеют физических щеток, которые изнашиваются относительно коллектора, что исключает основной вид отказа щеточных двигателей. Скорость двигателя контролируется электроникой с помощью контроллера насоса, что также обеспечивает функцию плавного пуска, снижающую механическую нагрузку на крыльчатку насоса и вал двигателя при запуске.

В сельском хозяйстве и животноводстве, где насос может работать от 6 до 10 часов в день в течение многих лет, разница между бесщеточным и щеточным двигателем определяет, будет ли система работать в течение одного сезона или десятилетия.

3. Нержавеющая сталь и пищевые материалы.

Для любого применения, связанного с питьевой водой для людей или домашнего скота, корпус насоса, рабочее колесо и все компоненты, контактирующие с водой, должны быть изготовлены из нержавеющей стали 304 или 316 или сертифицированного пищевого пластика, чтобы предотвратить загрязнение и коррозию.

Нержавеющая сталь марки 316 обеспечивает превосходную стойкость к хлоридной коррозии по сравнению со сталью 304, что делает ее предпочтительным материалом для насосов, используемых в прибрежных районах или с источниками воды с повышенным содержанием минералов или солей. Корпуса насосов, изготовленные из АБС-пластика, подходят для использования в садовых и непитьевых системах водоснабжения, но не должны использоваться для подачи питьевой воды из-за риска выщелачивания с течением времени в теплых условиях.

4. Защита от сухого хода и совместимость поплавкового выключателя.

Защита от сухого хода необходима для погружных солнечных насосов, поскольку системы, работающие на солнечной энергии, работают без присмотра, а насос, который продолжает работать после того, как источник воды опускается ниже входного отверстия, сгорит двигатель в течение нескольких минут.

Качественные контроллеры солнечных насосов включают обнаружение сухого хода с помощью датчиков потока или мониторинг тока: если ток двигателя падает ниже порогового значения, указывающего на отсутствие нагрузки (отсутствие водонепроницаемости), контроллер отключает насос и ждет заданный период времени перед повторным запуском. Поплавковые выключатели в накопительном резервуаре, подключенные к контроллеру насоса, предотвращают перелив и обеспечивают полностью автоматическую работу без вмешательства человека.

5. Степень защиты IP и гидроизоляция.

Для погружных применений требуется минимальная степень защиты IP68 (пыленепроницаемость и возможность непрерывного погружения на заданную глубину и давление), а для поверхностных насосов и контроллеров, установленных вне помещения, требуется степень защиты не ниже IP55 (пыленепроницаемость и защита от водяных струй).

Контроллеры солнечных насосов часто устанавливаются снаружи рядом с массивом панелей, подвергая их воздействию дождя, конденсата и экстремальных температур. Корпус контроллера со степенью защиты IP65 (изолированный от пыли и водяных струй низкого давления с любого направления) является минимально приемлемым для установки контроллера на открытом воздухе. Многие недорогие комплекты насосов поставляются с контроллером со степенью защиты IP44, который выйдет из строя при попадании под дождь при обычной наружной установке.

Как подобрать размер солнечной панели для водяного насоса

Правильный выбор размера массива солнечных панелей имеет важное значение для достижения ежедневного расхода воды, необходимого для вашего приложения, при этом избегая ненужного увеличения размера системы и траты бюджета на избыточную мощность панели.

Следуйте этому трехэтапному процессу определения размера:

1. Определите свою ежедневную потребность в воде. Рассчитайте общее количество литров в день, необходимое для орошения, животноводства или домашнего использования. Пример: 50 голов крупного рогатого скота по 50 литров на голову в день равны требуемым 2500 литрам в день.
2. Найдите свои пиковые солнечные часы (PSH). PSH варьируется от 3,5–4 часов в климате Северной Европы до 6–7 часов в засушливых субтропических регионах. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) предоставляет бесплатные карты солнечных ресурсов для получения точных данных PSH по местоположению.
3. Рассчитайте требуемый расход и мощность панели. Разделите суточную потребность в воде на PSH, чтобы получить необходимые литры в час. Затем выберите насос, который обеспечивает такую ​​скорость потока при общем напоре вашего объекта, и выберите размер массива панелей в соответствии с номинальной потребляемой мощностью насоса. Добавьте от 20 до 25 процентов запаса прочности на случай деградации панели, потерь пыли и рабочих дней ниже пиковой нагрузки.

Пример расчета: 2500 литров в день, разделенные на 6 PSH, равны требуемому расходу 417 литров в час. Насос производительностью 500 л/ч при требуемом напоре удовлетворит эту потребность. Если насос рассчитан на входную мощность 200 Вт, мощность массива панелей должна быть равна 200 Вт, умноженному на 1,25 (коэффициент безопасности), что соответствует минимальной установленной мощности 250 Вт.

Солнечный насос с аккумуляторной батареей или прямой солнечный насос (без батареи): что лучше?

Для большинства сельскохозяйственных и ирригационных применений насосная система с прямой солнечной энергией, перекачивающая в резервуар для хранения, более надежна, дешевле и требует меньшего обслуживания, чем солнечная насосная система с батарейным питанием, но аккумуляторная батарея необходима для 24-часовой потребности в воде в домашнем хозяйстве.

Советы по установке для максимальной производительности солнечного водяного насоса

Правильные методы установки могут улучшить ежедневную подачу воды на 15–30 процентов и значительно продлить срок службы насоса по сравнению с обычными способами установки.

• Угол наклона панели: Установите солнечные панели под углом, равным вашей широте, для получения максимальной годовой выработки энергии. Согласно данным NREL о солнечных ресурсах, в месте на 30 градусах широты наклон на 30 градусов от горизонтали позволяет улавливать примерно на 15 процентов больше солнечной энергии в год, чем плоская установка (0 градусов).
• Ориентация панели: Лицевые панели направлены на юг в северном полушарии и на север в южном полушарии. Даже 20-градусное отклонение от истинного юга снижает годовой объем производства на 5–7 процентов.
• Размер провода: Используйте провод такого размера, чтобы падение напряжения на участке от панели к контроллеру не превышало 3 процентов. Провод меньшего сечения приводит к резистивным потерям, которые снижают производительность насоса и выделяют тепло в кабеле. Для трасс, превышающих 10 метров, увеличьте сечение провода на одну ступень от минимального расчетного размера.
• Глубина погружного насоса: Установите насос на высоте не менее 1 метра над дном колодца, чтобы избежать перекачивания осадка, и не менее 2 метров ниже статического уровня воды, чтобы насос оставался погруженным во время слива. Прежде чем указывать глубину погружения, проконсультируйтесь с гидрогеологом или бурильщиком скважин о динамическом уровне воды в вашей конкретной скважине.
• Размер трубы: Используйте наибольший практический диаметр трубы для линии подачи, чтобы минимизировать потери напора на трение. На каждые 10 процентов увеличения диаметра трубы потери на трение снижаются примерно на 40 процентов. Труба диаметром 1 дюйм пропускает примерно в четыре раза больше потока, чем труба диаметром полдюйма, при тех же потерях на трение на метр.
• Очистка панели: Пыль и птичий помет могут снизить мощность солнечных батарей на 10–25 процентов в засушливых или сельских районах. Ежемесячная очистка мягкой тканью и водой позволяет поддерживать номинальную мощность панели. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Solar Energy, неочищенные панели в пыльных помещениях теряют в среднем 1,1 процента производительности в день загрязнения.

Часто задаваемые вопросы: Лучшие водяные насосы на солнечной энергии

Вывод: выбор лучшего водяного насоса на солнечной энергии для вашей ситуации.

Лучший водяной насос на солнечной энергии — это тот, который правильно подобран к глубине вашего источника воды, требуемому ежедневному объему, солнечному ресурсу объекта и бюджету — не существует единого универсального лучшего насоса.

Для неглубоких колодцев и орошения прудов глубиной менее 10 метров наиболее экономичным и практичным решением является бесщеточный погружной насос постоянного тока напряжением 12 В или 24 В с панелью мощностью от 50 до 150 Вт. Для водоснабжения скота и ферм из поверхностных источников самовсасывающий солнечный поверхностный насос мощностью от 100 до 300 Вт обеспечивает достаточный ежедневный объем для большинства малых и средних предприятий. Для глубоких скважин глубиной от 20 до 100 метров единственным надежным долгосрочным вариантом является специально разработанный солнечный скважинный насос с контроллером MPPT и корпусом из нержавеющей стали.

В каждом случае указывайте бесщеточный двигатель постоянного тока , MPPT-контроллер , защиту от сухого хода и соответствующий класс IP для условий установки. Подберите массив солнечных панелей с запасом прочности на 20–25 процентов выше номинальной потребляемой мощности насоса и инвестируйте в резервуар для хранения подходящего размера, чтобы смягчать колебания ежедневного солнечного света.

При наличии этих принципов, Солнечная система водяного насоса обеспечит бесплатную и надежную подачу воды в течение 10–20 лет с минимальным обслуживанием, что представляет собой одну из наиболее экономически и экологически обоснованных инвестиций, доступных для автономного водоснабжения в любом масштабе.