Если вы когда-нибудь смотрели на выжженное поле, простирающееся на несколько миль от ближайшего источника воды, или на отдаленную деревню, где каждая капля воды требует долгого и изнурительного пути от основного водоносного горизонта, вы, вероятно, задавались вопросом: действительно ли солнечные центробежные насосы справляются с такой перекачкой воды на большие расстояния? Как поставщик решений для солнечных насосов, я постоянно получаю этот вопрос — часто от фермеров в засушливых регионах, общественных лидеров, проектирующих сельские системы водоснабжения, или владельцев малого бизнеса, стремящихся сократить расходы на энергию, одновременно перемещая воду далеко от ее источника. В течение многих лет общепринятое мнение заключалось в том, что солнечная энергия годится только для кратковременных применений с малой подъемной силой, но технология прошла долгий путь, иСолнечные центробежные насосынаходятся в центре этого сдвига. Давайте разберемся, оправдывают ли эти насосы шумиху по перекачке на большие расстояния, каковы их ограничения и как они сочетаются с другими вариантами солнечной перекачки.
Во-первых, давайте проясним, что на самом деле означает «перенос воды на большие расстояния» в этом контексте. Для большинства пользователей это перемещение воды на расстояние от 1 до 5 миль от источника до точки использования, иногда с умеренными перепадами высот по пути. Это не масштабные проекты протяженностью в сотни миль, в которых используются дизельные или сетевые насосы для промышленного сельского хозяйства, но это диапазон, который имеет решающее значение для мелких ферм, сельских сообществ и автономных предприятий, где прокладка трубопровода рядом с линиями электропередачи непрактична или непомерно дорога. Несколько лет назад я работал с фермером, выращивающим хлопок, в Западном Техасе, чьи поля находились в 3 милях от сезонного водоносного горизонта; он использовал дизельный насос, который обходился ему в 1200 долларов в месяц на топливо плюс регулярное обслуживание. Когда он перешел на солнечный центробежный насос, он перекачивал один и тот же объем воды каждый день, а его ежемесячные затраты на электроэнергию упали до нуля. Но этот успех не был случайностью — он пришел благодаря пониманию того, как работают солнечные центробежные насосы и как правильно подобрать их размер для длительной эксплуатации.
Солнечные центробежные насосы работают по простому принципу: вращающиеся рабочие колеса создают центробежную силу, которая выталкивает воду наружу, создавая давление для перемещения ее по трубам. В отличие от объемных насосов (которые лучше подходят для применений с высоким давлением и низким расходом), центробежные насосы рассчитаны на высокую скорость потока при умеренном и низком давлении — подождите, это звучит как противоречие для перевозок на большие расстояния, не так ли? Потому что чем дальше вы перемещаете воду, тем больше потерь на трение в трубах. Это ключевой момент: потери на трение — самый большой враг переноса воды на большие расстояния, а не только высота. Каждый фут трубы добавляет небольшое сопротивление, а на протяжении более 3 миль оно быстро увеличивается. Например, стандартная 4-дюймовая труба из ПВХ теряет около 0,15 фунтов на квадратный дюйм на 100 футов при скорости потока 50 галлонов в минуту (галлонов в минуту). Умножьте это на 15 840 футов (3 мили), и вы получите потери на трение почти в 24 фунта на квадратный дюйм. Если по пути у вас также будет подъем на 50 футов, это добавит еще 21,7 фунтов на квадратный дюйм, поэтому общее необходимое давление составит около 45,7 фунтов на квадратный дюйм. Это вполне соответствует рабочему диапазону большинства солнечных центробежных насосов подходящего размера.
Но вот здесь многие люди ошибаются: они предполагают, что любой солнечный центробежный насос будет работать на больших расстояниях. Нет, вам необходимо сопоставить кривую насоса с общим динамическим напором вашей конкретной системы (TDH), который представляет собой сумму подъемной силы и потерь на трение в трубе. TDH не подлежит обсуждению. Если вы подберете насос с учетом статического напора (только подъема) без учета трения в трубе, его производительность будет значительно ниже, и у вас не будет достаточного давления для перемещения воды на все расстояние. В начале моей карьеры поставщика у меня был клиент в Кении, который установил дешевый солнечный насос без торговой марки на 2-мильный трубопровод, и в течение двух месяцев он перекачивал воду только на половину этого расстояния. Мы повторно протестировали систему, пересчитали TDH и обнаружили, что они использовали 3-дюймовую трубу вместо рекомендованной нами 4-дюймовой трубы, поэтому потери на трение оказались вдвое больше, чем мы планировали. Переход на трубу большего размера и немного большей мощности.Солнечный центробежный насосисправили проблему, и за три года с тех пор у них не было проблем. Этот опыт научил меня тому, что образование так же важно, как и поставка правильного насоса; многие пользователи не осознают, что размер трубы, скорость потока и расстояние взаимосвязаны.
Итак, как солнечные центробежные насосы сравниваются с другими солнечными вариантами для транспортировки на большие расстояния? Давайте возьмемСолнечные струйные насосы, например. В струйных насосах для создания всасывания используется диффузор и трубка Вентури, что означает, что они могут забирать воду из более глубоких источников — до 25 футов, тогда как большинство центробежных насосов являются погружными или наземными и выталкивают воду из-под источника. Но струйные насосы менее эффективны, чем центробежные, особенно при высоких скоростях потока, что является большим недостатком при длительных пробегах. Для трубопровода длиной 3 мили, движущегося со скоростью 50 галлонов в минуту, струйному насосу потребуется гораздо большая солнечная батарея, чем центробежному насосу, что приведет к более высоким первоначальным затратам. Тогда естьСолнечные периферийные насосы, которые рассчитаны на очень высокое давление при низких скоростях потока. Они отлично подходят для небольших систем, находящихся под давлением, таких как дома с верхними резервуарами, но их скорость потока слишком мала для сельскохозяйственного орошения или общественных нужд в воде на большие расстояния. Таким образом, для большинства задач перекачки на большие расстояния солнечные центробежные насосы являются лучшим выбором: высокая эффективность потока, достаточное давление при правильном выборе размера и надежность в солнечных регионах.
Но это не означает, что солнечные центробежные насосы идеально подходят для любого проекта, работающего на большие расстояния. Их самое большое ограничение сводится к доступности солнечного света. Солнечные насосы для выработки электроэнергии полагаются на постоянный солнечный свет, поэтому в регионах с частым облачным покровом или в сезон дождей скорость потока может снизиться. В системе, которая перекачивает воду на расстояние 5 миль от горного источника до деревни, если стоит неделя пасмурной погоды и насос не может создать достаточное давление, чтобы преодолеть потери на трение, у вас не будет воды. Решением здесь является добавление аккумуляторной системы хранения данных, но это приводит к значительным первоначальным затратам — обычно от 30 до 50 % от общей стоимости системы. Для небольших проектов некоторые пользователи выбирают резервный генератор, но это подрывает экономию средств на солнечной энергии. Еще одним ограничением является диаметр трубы. Если вы перемещаете воду на расстояние более 5 миль, даже 4-дюймовая труба будет иметь значительные потери на трение, поэтому вам понадобится либо 5-дюймовая, либо 6-дюймовая труба, прокладка которой обходится дороже. В таких случаях некоторые пользователи предпочитают размещать вдоль трубопровода подкачивающие насосы — каждый небольшой центробежный насос, работающий на солнечной энергии, который добавляет небольшое давление примерно каждую милю. Я работал с командой в Перу, которая устанавливала 7-мильную систему перекачки воды для отдаленной деревни в Андах с тремя повысительными насосами каждые 2 мили, и все они питались от центральной солнечной батареи. Это по-прежнему дешевле, чем дизельная система, и после первоначальной установки обслуживание становится минимальным.
Еще одним фактором, который следует учитывать, является техническое обслуживание, которое имеет большое значение для автономных систем, где у вас может быть затруднен доступ к специалистам по ремонту. Солнечные центробежные насосы имеют гораздо меньше движущихся частей, чем дизельные насосы — обычно только крыльчатка и двигатель, без топливных фильтров, форсунок и выхлопных систем. Основными задачами по техническому обслуживанию являются очистка солнечных панелей (для удаления пыли и мусора, которые уменьшают поглощение солнечного света), проверка крыльчатки на наличие засоров (особенно, если вы перекачиваете воду из мутного источника) и проверка соединений труб на предмет утечек. Мы предоставляем нашим клиентам простой ежемесячный контрольный список технического обслуживания, и для большинства сельских пользователей это так же просто, как проверка панелей и промывка сетчатого фильтра на входе насоса. Напротив, струйные насосы требуют регулярной регулировки трубки Вентури для поддержания всасывания, а поршневые насосы требуют более частой замены уплотнений, что делает центробежные насосы лучшим выбором для пользователей с ограниченными техническими навыками.
Я также хочу развеять распространенное заблуждение: солнечные центробежные насосы не могут работать с переменным расходом. Некоторым системам транспортировки на большие расстояния не требуется одинаковое количество воды каждый день: фермерам может потребоваться больше во время посевного сезона, меньше во время сбора урожая, а общинам может потребоваться больше воды летом, когда ее потребление выше. Современные центробежные насосы на солнечной энергии оснащены приводами с регулируемой частотой (ЧРП), которые регулируют скорость насоса в зависимости от доступного солнечного света и фактического спроса. Таким образом, в пасмурный день ЧРП замедляет работу насоса, уменьшая скорость потока, но при этом обеспечивая достаточное давление для перемещения воды на все расстояние, вместо того, чтобы тратить энергию на работу насоса на полной скорости, когда недостаточно солнечного света. Такая гибкость меняет правила игры для систем дальней связи, поскольку означает, что вам не придется увеличивать размер насоса и массива для удовлетворения пикового спроса; VFD адаптируется в реальном времени.
Давайте поговорим о реальной истории успеха, чтобы собрать все это воедино. В прошлом году я работал с группой мелких фермеров в штате Одиша, Индия, которым нужно было переместить воду на расстояние 4,7 миль из водохранилища на поля их колхоза. Раньше они платили 800 долларов в месяц за насос, подключенный к сети, но сеть была доступна только 12 часов в день, поэтому они не могли поливать ночью, что приводило к снижению урожайности. Мы установили солнечный центробежный насос мощностью 10 лошадиных сил, специально подобранный для их 4-дюймового трубопровода и TDH 42 фунта на квадратный дюйм (что составляет 38 фунтов на квадратный дюйм потерь на трение и 4 фунта на квадратный дюйм плавного подъема вдоль маршрута). Они добавили небольшой аккумуляторный блок на 20 кВтч, чтобы покрыть случайные пасмурные дни, и общая первоначальная стоимость составила 12 000 долларов. За первый год они сэкономили более 9000 долларов на затратах на электроэнергию, а поскольку насос работает 24/7 на солнечном свете с резервной батареей, они могут осуществлять полив в любое время, что приводит к увеличению урожайности риса и овощей на 30%. У них не было каких-либо серьезных проблем с обслуживанием: просто чистили панели два раза в месяц и промывали впускной фильтр каждые три месяца. Именно такое воздействие могут оказать солнечные центробежные насосы при перекачке воды на большие расстояния, если они правильно подобраны и установлены.
Конечно, все еще существуют ситуации, когда солнечные центробежные насосы не подходят. Если вы перемещаете воду на расстояние более 10 миль по плоской открытой местности без возможности установки подкачивающих насосов, потери на трение становятся настолько высокими, что вам понадобится непрактично большой насос и солнечная батарея. В этом случае гибридная система с небольшим резервным дизельным двигателем может оказаться более рентабельной, даже если она потребует некоторых текущих затрат на топливо. Или, если вы перекачиваете воду из очень глубокого источника, скажем, на глубине 500 футов под землей, с этим справятся погружные центробежные насосы, но вам нужно будет убедиться, что солнечная батарея рассчитана на то, чтобы выдерживать более высокое давление, необходимое для подъема воды на такое расстояние, а также для передачи ее на расстояние. Прежде чем инвестировать, важно провести полную оценку объекта, а не просто гадать, исходя из расстояния.
Как поставщик, я видел, как много людей списывают солнечную энергию на передачу на большие расстояния из-за устаревших представлений об этой технологии. Десять лет назад о солнечном насосе, перемещающем воду на расстояние 3 миль, было бы неслыханно, но достижения в конструкции крыльчатки, технологии ЧРП и эффективности солнечных панелей сделали это не просто возможным, но надежным и конкурентоспособным по цене с насосами, работающими на ископаемом топливе. Самая большая ошибка, которую совершают клиенты, — это выбор самого дешевого насоса без учета конкретных системных требований или игнорирование потерь на трение при расчете TDH. Вот почему мы тесно сотрудничаем с каждым клиентом, проводя бесплатную оценку объекта для составления карты трубопровода, расчета TDH и рекомендации подходящего насоса — независимо от того, нужен ли он.Солнечный центробежный насос, аСолнечный струйный насосили другой вариант, а также рекомендации по размеру и хранению труб, если это необходимо.
Если вы планируете проект по перекачке воды на большие расстояния и задаетесь вопросом, являются ли солнечные центробежные насосы правильным выбором, не стесняйтесь обращаться к нам. Мы можем рассказать вам о размерах, стоимости и обслуживании, а также помочь вам найти решение, соответствующее вашим потребностям и бюджету.
Ссылки
- Американское общество сельскохозяйственных и биологических инженеров. (2021). Насосы воды на солнечной энергии для сельскохозяйственного орошения: рекомендации по эксплуатации. Стандарт ASABE EP406.
- Глобальный солнечный совет. (2022). Солнечная насосная установка для доступа к воде в сельской местности: отчет о рынке и тематические исследования. Публикации GSC.
- Дженкинс, Б.М. и др. (2020). Расчет потерь на трение для пластиковых труб в самотечных и насосных системах перекачки воды. Журнал ирригации и дренажа, 146 (8), 04020047.
- Международный институт управления водными ресурсами. (2021). Автономные солнечные насосы для мелкого сельского хозяйства: анализ затрат и выгод в 12 странах. Рабочий документ ИВМИ.
- Чжан Л. и др. (2023). Оптимизация частотно-регулируемого привода для солнечных центробежных насосов для перекачки воды на большие расстояния. Солнечная энергия, 257, 118-127.