350 likes | 497 Views
Sisteme fotovoltaice pentru pomparea apei. - proiectare simplificata -. 1. Date de intrare. 1.1 Necesarul de apa. - Se stabileste consumul zilnic mediu pentru fiecare luna - Luna critica este aceea in care raportul " ore soare/cantit. apa neces. este minim.
E N D
Sisteme fotovoltaice pentru pomparea apei - proiectare simplificata -
1. Date de intrare 1.1 Necesarul de apa • - Se stabileste consumul zilnic mediu pentru fiecare luna • - Luna critica este aceea in care raportul • " ore soare/cantit. apa neces. • este minim Un consumator ipotetic necesita 9200 l (9,2 m3) apa/zi in tot decursul anului
1.2 Energia solara disponibila - Daca necesarul de apa este acelasi in tot decursul unui an, dimensionarea gen. PV se va baza pe luna cu nivelul de insolatie minim - Daca consumul variaza in cursul anului, dimensionarea gen. PV se va baza pe luna in care raportul " cant. apa nec./insolatie dispon." este maxim - Datele privind insolatia se vor obtine de la cea mai apropiata statie meteo si se vor face corectii tinand cont de conditiile climatice locale, daca este necesar Consumatorul ipotetic este situat intr-o zona unde insolatia este de 5 PSH/zi in lunile de iarna
1.3 Plasarea si orientarea modulelor PV - Se verifica daca locul ales pentru plasarea modulelor nu prezinta umbriri, mai ales in perioada de iarna cand soarele are o traiectorie joasa - Unghiul de azimut recomandabil este in intervalul 150 Est-Vest. In multe locatii o orientare mai vestica poate fi avantajoasa pentru a evita ceata de dimineata - Unghiul de inclinare fata de orizontala al modulelor se alege de regula egal cu latitudinea locala. Daca consumul de apa nu este acelasi in cursul anului, este convenabila alegerea unui unghi mai mic sau mai mare. - Spre exemplu, daca in lunile de vara consumul este cel mai mare, este recomandabil un unghi de inclinare cu 150 mai mic decat latitudinea; invers, daca iarna consumul este mai mare, unghiul trebuie marit cu 150
1.4 Stabilirea debitului de apa necesar Q=V/PSH [l/h], respectiv Q=V/(PSH*3600) [l/s], V fiind volumul de apa zilnic necesar (in l/zi ), iar PSH este numarul de ore de soare echivalent (in h/zi). Pentru consumatorul ipotetic debitul zilnic necesar este Q = 9200/5 = 1840 l/h = 0,5 l/s
1.5 Evaluarea resurselor de apa Sistemele de pompare au particularitatea ca prezinta doua "intrari: - energia solara necesara alimentarii motorului electric - cantitatea de apa necesara alimentarii pompei Cantitatea de apa pe care o poate produce o sursa de apa este unul din cei mai importanti parametrii in proiectarea unui sistem de pompare. O pompa care functionare corect nu trebuie sa pompeze mai mult decat poate sursa de apa sa produca.
Pentru a determina cantitatea de apa pe care o poate produce un put se poate folosi urmatoarea metoda, care necesita o pompa portabila capabila sa pompeze cu un debit cel putin la fel de mare ca si debitul maxim necesar consumatorului: - se masoara adancimea la care este nivelul static al apei - se instaleaza pompa si se lasa sa functioneze pana cand nivelul apei s-a stabilizat. Pentru a evita ca pompa sa functioneze in gol intrarea in pompa trebuie sa fie plasata sub cel mai jos nivel de golire estimat - cu pompa in functiune se masoara din nou adancimea la care este nivelul apei - se determina debitul apei folosind un recipient de volum cunoscut si masurand timpul necesar umplerii acestuia (se repeta operatia de mai multe ori si se face media citirilor). Debitul trebuie sa fie cel putin egal cu debitul maxim necesar consumatorului. - intrucat nivelul apei in put nu este acelasi in decursul unui an masuratorile trebuiesc facute in cea mai secetoasa luna a anului (cand nivelul apei si viteza de reumplere a lui sunt cele mai reduse)
1.6 Inaltimea statica, respectiv dinamica, de pompare Reamintim ca inaltimea statica de pompare este distanta de la nivelul static al apei pana la cel mai inalt punct la care este pompata apa: TSH = A+B Cand se pompeaza, nivelul apei scade cu o cota dependenta de debitul pompei (C in Fig.). De asemenea, curgerea apei determina pierderi prin frecare cu peretii conductelor. Frecarea este echivalenta cu o marire a inaltimii de pompare. In final, inaltimea "dinamica" de pompare este TDH = A+B+C+Hfrec.
Intrucat atat nivelul apei in regim de pompare cat si pierderile prin frecare sunt dependente de debitul de pompare, TDH trebuie intotdeauna specificat la un anumit debit. Cu cat debitul este mai mare, cu atat este mai mare inaltimea dinamica de pompare. Pierderile prin frecare depind de - diametrul interior al conductei - lungimea conductei - numarul si tipul coturilor - de viteza apei (deci de debit) - de materialul conductei Se recomanda mentinerea pierderilor prin frecare sub 10% din TSH. Pentru orientare, in tabelul urmator sunt date pierderile pentru conducte de 1.5".
Putul pentru alimentarea consumatorului ipotetic are urmatoarele date: A = 4 m B = 4,2 m C = 1,5 m (determinata experimental, la un debit de 0,5 l/s) Inaltimea echivalenta pierderilor prin frecare trebuie sa fie sub 10% din TSH, adica Hfrec < A+B = 0,82 m. Presupunem ca lungimea conductei necesare pentru a lega pompa la rezervor este de 210 ft (64 m). Din tabelul precedent, pentru o conducta din plastic de 1,5" (3 cm), rezulta atunci Hfrec = 0,3 m. In final TDH = 4+4,2+1,5+3 = 10 m
2. Metoda simplificata de dimensionare a sistemului • Metoda care va fi prezentata este una simpla si nu conduce la solutia optima. Abaterea de la "adevarata" solutie este in limitele a 20%. • Metoda se bazeaza pe doua nomograme: • Prima, nomograma energiei hidraulice, permite determinarea puterii motorului de actionare a pompei pe baza datelor hidraulice de intrare: debitul zilnic si head-ul de pompare. • A doua, nomograma puterii PV, permite calculul puterii generatorului PV necesara motorului de actionare a pompei.
Nomogramele se folosesc astfel: • Se porneste din punctul A de pe prima nomograma- consumul zilnic mediu de apa. • Intersectia cu dreapta inaltimii de pompare (head - ul de pompare) ne da punctul B care conduce in C obtinand astfel energia hidraulica necesara. • In continuare, intersectia cu dreapta care estimeaza randamentul sistemului hidraulic ne da punctul D, care conduce la punctul E, din care citim energia zilnica necesara motorului pompei. • Energia astfel determinata reprezinta punctul de plecare pentru a doua nomograma. In functie de nivelul de insolatie ea determina punctul F care conduce la punctul G, adica la puterea nominala necesara pentru generatorul PV. • Se face apoi o corectie pentru a tine cont de temperatura ambianta - punctul H, care conduce la punctul I de unde citim puterea nominala necesara a generatorului PV.
OBS. • Pompele centrifugale au randament maxim numai daca functioneaza la capacitatea proiectata. Intrucat puterea generata PV variaza continuu, randamentul mediu pe termen lung al unei pompe centrifugale este dificil de prezis, dar va fi mai mic decat randamentul la capacitatea proiectata • In contrast, randamentul pompelor volumetrice este constant in tot intervalul lor de functionare • Nomogramele tin cont de interactiunea dintre insolatie, puterea generata PV si randamentul de pompare prin mediere pe termen lung. Pentru consumatorul ipotetic din exemplul considerat, cu ajutorul acestor nomograme rezulta o putere PV de 160 Wp.
3. Influenta variatiei insolatiei Energia solara incidenta variaza in cursul unei zile, este afectata de vreme si se odifica de la anotimp la anotimp. Aceasta variatie a puterii de intrare nu afecteaza serios sistemele care sunt capabile sa livreze apa proportional cu iradianta: ele produc mai putina apa cand iradianta este mai mica si invers. Aceste variatii in cantitatea de apa pompata se uniformizeaza pe intervale mai lungi de timp. Sunt insa puternic afectate sistemele de pompare la care cantitatea de apa produsa depinde neliniar de iradianta, de exemplu cand cantitatea de apa debitata nu variaza proportional cu viteza la care functioneaza pompa. Aceste situatii pun in evidenta importanta definirii corecte in specificatiile de proiectare a productiei zilnice medii de apa dorita.
Variatiile zilnice Cea mai importanta caracteristica a insolatiei este variatia ei zilnica: Pompele volumetrice sunt, in general, liniare, iar daca sunt cuplate cu un controler inteligent pot ultiliza complet energia solara disponibila. Pompele centrifugale sunt neliniare astfel ca randamentul lor scade daca functioneaza in afara conditiilor de proiectare optime. Producatorii trebuie sa tina cont de acest efect atunci cand fac referire la debitul zilnic mediu. Nomogramele prezentate iau in considerare acest fapt.
Variatiile determinate de vreme Vremea noroasa reduce considerabil insolatia si implicit energia generata PV Tabelele referitoare la insolatie includ corectii pentru variatiile acesteia cu vremea atunci cand se prezinta insolatia zilnica medie pe durata unei luni. Aceste variatii nu afecteaza, in medie, productia pompelor liniare, cum sunt pompele volumetrice de exemplu. Din nou, sunt afectate puternic pompele centrifugale:
Din acest motiv, daca se folosesc pompe centrifugale in care apare frecvent o reducere a insolatiei (ceata, praf, nori dispersati, smog etc), se recomanda folosirea unei valori ale iradiantei de 80 mW/cm2 (800 W/m2) in loc de 100 mW/cm2 (1000 W/m2) pentru profilul solar zilnic. Aceasta valoare redusa, impreuna cu corectiile incluse in valorile zilnice medii ale insolatiei date in tabele, vor tine cont de variatiile determinate de vreme. Variatiile sezoniere Modificarile sezoniere ale inaltimii maxime ale soarelui determina variatii corespunzatoare ale insolatiei. In graficul din figura de mai jos este prezentata variatia lunara a energiei produse de o suprafata PV inclinata la un unghi fata de orizontala egal cu latitidinea, respectiv latitudinea ± 15o, in valori relative.
Productia de apa a unei pompe volumetrice depinde de insolatia zilnica totala incidenta suprafetei PV. In contrast, productia unei pompe centrifugale este afectata atat de insolatia totala cat si de valoarea de varf a acesteia. Graficul alaturat se refera la o suprafata PV inclinata la un unghi fix egal cu latitudinea locului. Producatorii de pompe alimentate PV trebuie sa tina cont de toate aceste influente. Nomogramele prezentata iau in considerare aceste efecte.
4. Alegerea tipului pompei • Alegerea optima a pompei pentru o aplicatie data depinde de necesarul zilnic de apa, de inaltimea echivalenta de pompare si de tipul sursei de apa (put forat sau sursa de suprafata). • Pompele volumetrice sunt bune pentru debite mici (sub 15 m3/zi) si inaltimi de pompare mari (30 500 m) • Pompele centrifugale submersibile sunt potrivite pentru debite mari (25 - 100 m3/zi) si inaltimi de ridicare medii (10 - 30 m) • Pompele autoamorsabile sunt folosite pentru debite mari si inaltimi de pompare mici (sub 5 m)
In figura alaturata sunt prezentate cele mai avantajoase tipuri de pompe alimentate PV, in functie de debit si inaltimea de pompare.
6. Exemplu de calcul • Locatia: Phoenix, Arizona (33027'N, 11204'W • Unghiul de inclinare: latitudinea - 150 • Discount: 7.5% / an • Debit si inaltime de pompare:
Pasul 1: Se stabilleste tipul pompei (volumetrice sau centrifugale). Din graficul prezentat anterior rezulta o pompa centrifugala. Pasul 2: Cu ajutorul nomogramei energiei hidraulice se determina sarcina hidraulica si energia necesara motorului, pentru fiecare anotimp:
Pasul 3: Se determina valorile zilnice medii ale insolatie pentru fiecare anotimp, pe o suprafata inclinata corespunzator:
Pasul 4: Din nomograma energiei solare se determina pentru fiecare anotimp puterea suprafetei PV in conditii standard:
Pasul 5: Se determina costul si costul anualizat al sistemului: Costul sistemului (exclusiv instalarea) este de aproximativ $13/W, respectiv $5070 si un cost anualizat de $500/an la 7.5% rata de discount.
7. PVsyst 5.00 http://www.pvsyst.com/5.2/index.php