太陽光発電のDCウォーターポンプを設計する方法は？

太陽光発電によるDCウォーターポンプの設計に関するガイド

ソーラーパワーDCモーターポンプの一般的な設計

これまでに設計できる最も単純なタイプのPVシステムは、下の図1に示すように、単一または複数のPVモジュールをDC負荷に直接接続することです。

モジュールの全体的な容量は、日照時間中にのみ電力を供給できるようになっています。充電コントローラーを使用してモジュールの最大電力点を1日中追跡することにより、モジュールを最大限に活用するための特別な手配は行われません。

このようなシステムは、日照時間の変化によってモジュールからの電力出力が変化し、夜間にエネルギー需要を供給するための予備バッテリーの配置が行われないため、規制されていないシステムです。手術。このようなシステムは、DCモーターの揚水ポンプを使用した水の汲み上げなどの家庭用アプリケーションに適しています。

前述のように、このようなシステムは、特に灌漑の用途での揚水に使用できます。夜間に水が必要な場合は、バッテリーに蓄えられたエネルギーを使用して、夜間に水を汲み上げることができます。しかし、私たちが知っているように、バッテリーは日中の日差しの中でしか充電できません。

では、利用可能な太陽エネルギーを利用して日照時間中にすぐに水を汲み上げることができるのに、なぜバッテリーを充電する必要があるのでしょうか。一方、バッテリーは安価ではなく、充電コントローラーのようなパワーエレクトロニクス回路が必要であり、コストが高くなることもわかっています。したがって、日照時間中に利用可能な太陽エネルギーをすぐに利用して水を汲み上げることで、このスタンドアロンアプリケーションのバッテリーと充電コントローラーに必要なコストとスペースを削減できます。

このようなシステムの設計は非常に単純です。PVモジュールの電力と電圧の定格をDCポンプモーターの定格と一致させる必要があるため、モジュールが太陽を受け取ると放射ポンプは水を汲み上げてタンクに貯蔵します。このようなシステムは、市場で入手可能なさまざまな電力定格のACモーター用に設計することもできます。

ただし、ACモーターポンプには、モーターを実行するためにPVモジュールによって生成されたDC電力をAC電力に変換するためのインバーター（DC – AC）回路が必要です。また、インバータの電力定格は、ACモーターおよびPVモジュールの電力定格と適切に一致している必要があります。

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ソーラーパワーDCウォーターポンプの要件

揚水システムの設計を始める前に、このようなスタンドアロンシステムの設計に密接に関連するいくつかの用語を理解することが重要です。

1. 毎日の水の必要量（m ³ /日）：水の必要量は、毎日、毎月、季節によって異なります。 1日あたりに必要な水の量によって、システムのコストとサイズが決まります。したがって、必要な水量が1日あたりの水量よりも変動する場合は、週平均または月平均を設計計算に使用できます。ただし、システムが通常の需要を満たすことができるよりもピークの水需要を満たすことができる場合は、最大の水要件を考慮する必要があります。
2. トータルダイナミックヘッド（TDH）（メートル）：これは、ポンプシステムの設計にとって最も重要なパラメーターです。これは、送水ポンプが作動しなければならない有効圧力であり、メートル単位で測定されます。 2つのサブパラメータがあります。1つは垂直リフトの合計で、もう1つは摩擦損失の合計です。さらに、垂直リフトの合計は、下の図3に示す3つのパラメーターの合計です。標高、立水位、およびドローダウン。

• 標高は、ポイント間の差、つまり地面と水が排出される高さの差の尺度です。
• 立水位は、井戸の水位と地表の水位の差です。
• ドローダウンは、水を汲み出すことによって水位が下がる高さの尺度です。

3. 摩擦損失（メートル）：これは、送水ポンプの出口から水出口までの間に存在するパイプの摩擦を克服するために必要な圧力です。これは、合計ダイナミックヘッド（TDH）の値を取得するために、合計垂直高さに追加され、メートル単位で測定されます。パイプのサイズ、継手のタイプ、パイプ内に存在する空気、曲がりの数、流量など、複数の要因が摩擦損失の原因になります。排水ポイントが概算よりも井戸に近い場合摩擦損失の値が計算に使用されます。たとえば、排出ポイントが井戸から10 m以内にある場合、垂直昇開橋全体の5％が摩擦損失と見なされます。

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太陽光発電を利用したDCウォーターポンプを設計する手順

上記のすべてのパラメーターは、太陽光発電モジュールを使用した揚水システムの設計に非常に役立ちます。ここで、これらのパラメーターとさまざまな手順が、このようなスタンドアロンシステムの設計にどのように役立つかを見てみましょう。システム設計は、次の5つのステップで実行できます。

• ステップ1： （m ³ で毎日の水の必要量を決定します /日）
• ステップ2： 水を汲み上げるために必要なトータルダイナミックヘッド（TDH）を計算します。
• ステップ3： 水を汲み上げるために必要な1日あたりの総水力エネルギー（ワット時/日）を計算します。
• ステップ4： サイトで利用可能な日射量を計算します。
• ステップ5： 必要なPVモジュールのサイズと数、モーターの定格、その効率、および損失を計算します。

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太陽光発電のDCウォーターポンプを設計するための例と計算

これを理解するために、50 m ³ が必要な設計例を見てみましょう。 20メートルの深さから1日あたりの水。標高、立水位、ドローダウンはそれぞれ10 m、10 m、4mです。

水の密度は2000 kg / m ³ 重力による加速度（g）は9.8 m / s ² 。ソーラーモジュールのピーク電力定格は36W _P 、モジュールは定格ピーク電力容量で動作しないため、動作係数は0.75です。モジュールは最大PowerPointで動作しないため、ポンプ効率は約40％で、不一致係数は0.85です。

充電コントローラーと一緒にMPPTを使用している場合、不一致係数は1と見なす必要がありますが、この場合、PVを直接接続しているため、不一致係数は0.85です。 DCポンプモーターへのモジュール。

ステップ1： （m ³ で毎日の水の必要量を決定します /日）

毎日の水の必要量=50 m ³ /日

ステップ2： 水を汲み上げるために必要なトータルダイナミックヘッド（TDH）を計算します。

垂直昇開橋の合計=標高+立水位+ドローダウン

合計垂直リフト=10 m + 10 m + 4 m =24 m

摩擦損失=垂直昇開橋全体の5％=24×0.05=1.2 m

合計ダイナミックヘッド（TDH）=合計垂直リフト+摩擦損失

トータルダイナミックヘッド（TDH）=24 m + 1.2 m =25.2 m

ステップ3： 水を汲み上げるために必要な1日あたりの総水力エネルギー（ワット時/日）を計算します。

必要な水力エネルギー=質量×g×TDH

必要な水力エネルギー=密度×体積×g×TDH

必要な水力エネルギー=2000 kg / m ³ ×50m ³ /日×9.8m/ s ² ×25.2m=6860Wh/日

ステップ4： サイトで利用可能な日射量を計算します。

サイトで利用可能な日射量（1日あたりのピーク日照時間数）=6時間/日（1000 W / m ² 同等）

ピークサンアワーは、計算を簡素化するため、最も一般的に使用されます。 「平均日照時間」と混同しないでください および「ピークサンアワー」 気象観測所から収集します。 「平均日照時間」は日照時間が何時間であったかを示します。「ピーク日照時間」は実際に受け取ったエネルギー量をKWh/m ² で表した時間数です。 /日。

ステップ5： 必要なPVモジュールのサイズと数、モーターの定格、その効率、および損失を計算します。

PVパネルの総ワット数=総水力エネルギー/1日あたりのピーク日照時間数

PVパネルの総ワット数=6860/6 =1143.33 W

システム損失を考慮したPVパネルの総ワット数=PVパネルの総ワット数/（ポンプ効率×不一致係数）

システム損失を考慮したPVパネルの総ワット数=1143.33 /（0.40×0.85）=3362.73 W

PVモジュールの動作係数を考慮したPVパネルの合計ワット数=システム損失/動作係数を考慮したPVパネルの合計ワット数

PVモジュールの動作係数を考慮したPVパネルの総ワット数=3362.73 / 0.75 =4483.64 W

いいえ。 36 W _Pに必要なPVパネルの数 =PVモジュールの動作係数を考慮したPVパネルの総ワット数/36

いいえ。 36 W _Pに必要なPVパネルの数 =4483.64 / 36 =124.54 =（125ラウンドフィギュア）

DCモーターの電力定格=PVモジュールの動作係数を考慮したPVパネルの総ワット数/746 W（つまり、1 hp）=6.0102 hpモーター=（7hp丸型）

直列および並列のパネルの配置は、モジュールとDCモーターの電圧と電流の定格に基づいて行うことができます。このようなシステムは、ACモーター用のMPPT回路とインバーターを使用して設計することもできますが、システムを設計する際には、その効率と電力定格を考慮することが重要です。

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結論

私たちは、限られたコンポーネントを必要とし、バッテリーやコントローラーを必要としない、太陽光発電ベースのDCウォーターポンプを設計するためのシンプルで経済的なアプローチを研究しました。灌漑目的で必要なレベルの水を汲み上げるための揚水と詳細な設計計算に関連する基本的な用語を簡単に研究しました。このようなシステムは、ACモーターを使用して設計することもでき、家庭、住宅、および商業レベルで実装できます。