pv powered water pumping تصميم نظام رفع المياة بأستخدام الطاقة الشمسية

pv powered water pumping

أستخدام الطاقة الشمسية أصبح منتشر فى كثير من التطبيقات فى حياتنا من التطبيقات دى مثلا أستخدام رفع المياة من باطن الارض بأستخدام مضخات مياة تعمل بأستخدام الطاقة الشمسية و تستخدم فى كثير من الاماكن و التطبيقات على سبيل المثال:

1- PV system can raise water from a well and store it in a tank
2- Water for irrigation
3- cattle watering
4- village water supply

أستخدام نظام رفع المياة بواسطة الطاقة الشمسية ممكن يستخدم فى رفع المياة من الابار و تخزينها فى خزانات , أو أستخدام المياة فى الرى , أو فى مزارع الحيوانات و أن أحنا نغذى قرية بالمياة للأستخدام اليومى .

طيب تصميم نظام ذى ده أكيد لية خطوات ,بإذن الله هنتعملها مع بعض فى المقالة دى , أهم حاجة فى الموضوع دة مش مجرد تنفيذ الخطوات دى وخلاص , لأ لازم نبقى فاهيمين كل خطوة لية و أذاى؟

هنلاقى أبسط أشكال النظام أن هو بيتكون من جزئين , الجزء الاول هو الجزء الكهربى و الجزء التانى هو الجزء الهيدروليكى .

The simplest PV water-pumping systems consist of :
1- ELECTRICAL SIDE
2- HYDRAULIC SIDE

الاجزاء التى يتكون من النظام 

طيب احنا لسا قايلين ان النظام بيتكون من جزئين , معنى كدة لو عملت تصميم لكل جزء يبقى عملت تصميم للنظام , يبقى أحنا كل اللى هنعملة هنصمم الجزء الهيدروليكى و هنصمم الجزء الكهربى.

Hydraulic side design:
1-Flow Q (g/m)
2-Dynamic head
3-Hydraulic Power

ياعنى بكل بساطة عاوز أعرف الطاقة الهيدروليكية المطلوبة و على أساسها هجيب المضخة اللى انا محتاجها ويبقى كده عملت تصميم للجزء الهيدروليكى.

Electrical side design:
1-Pump power
2-PV power
3-System Configuration

بالنسبة للجزء الكهربى هنصمم فية المضخة بنائاً على الطاقة الهيدروليكية اللى انا محتاجها و هنصمم نظام الطاقة الشمسية و فى الاخر هنشوف النظام هيتكون و هيترتب اذاى عشان يدينى الطاقة اللى انا محتاجها تغذى المضخة بتاعتى و دة اللى بنسمية 

Configuration .

فى ملاحظة لازم ناخذها فى الاعتبار أثناء عملية التصميم و هى الكفاءة الموجودة داخل كل مرحلة فى النظام , ذى مثلا كفاءة المضخة و كفاءة اللواح الطاقة الشمسية وهكذا و دى هنشوفة أثناء التصميم.

الصورة بتبين ان أحنا لازم ناخذ فى الاعتبار كفاءة المضخة

هنبدأ دلوقتى فى تصميم الجزء الهيدروليكى و هو هيبقى على خطوات:

• Hydraulic side design

Flow Q (g/m)

1. Determine the water production goal (gallons/day) in the design month (highest water need and lowest insolation).
2. Use design-month insolation (hours @ 1-sun) as the hours of pumping to find the pumping rate:

بكل بساطة عشان نحدد ال Flow المطلوب محتاجين نعرف عدد الجالونات المطلوبة فى اليوم , مثلا لو بنستخدم المياة فى رى أرض زراعية بيبقى عدد مرات الرى و كمية المياة فى اليوم معروفة , تانى حاجة محتاجين نعرف سطوع الشمس فى اليوم بمعنى الشمس هتدينى كام ساعة فى اليوم و هى واحد شمس ,نوضح النقطة دى , بيبقى فى جداول لكل منطقة معينة و على حسب زاوية ميل الالواح الشمسية بتاعتك و حسب الشهر اللى انت فية بتقدر تعرف هتاخد هتعرف الرقم اللى انت المفروض هتحطة فى المقام فى القانون و تحسب ال Flow اللى احنا محتاجينة.

Dynamic head

3. Find the total dynamic head H @ Q (gpm). As a default, the friction head may be assumed to be 5% of the static head.

ال Dynamic head بيتكون من حزئيين هم Static وده الارتفاع الافقى اللى محتاج ارفع علية المياة من باطن الارض , انما ال Friction هو مقاومة شوية حاجات فى طريق المياة ذى مثلا المحابس و لو موجود كوع فى مسار المياة حاجة ذى المقاومة بالنسبة للتيار الكهربى و دة بيبقى لية جداول بتعرف منها المقاومة اللى هتقابلك يا معلم .

و بعض الاحيان لسرعة التصميم بنحسب ال Friction من 5% الى 10% من ال Static.

• Static Head

• Friction Head

ذى ما قلتلك ان ال Friction هو ال Losses بسبب المحابس و الكيعان و طول المسورة , ودلوقتى هوريك شوية جداول من اللى بنعرف منها القيم دى , خلى باللك مثلا هنا الكوع ب 90 درجة و نوع المحبس.

Hydraulic Power

دلوقتى نقدر نحسب الطاقة الهيدوليكية عن طريق القانون ده بعد أما حسبنا ال Flow و حسبنا ال Head نقدر نعوض فى القانون

كنا قلنا فى الاول ان أحنا لازم ناخد بالنا ان فى ما بين الطاقة الهيدوليكية و الطاقة المطلوبة من المضخة فى كفاءة للمضخة دى 

Pump power4. Find a pump capable of delivering the desired head H and flow Q. Note its input power P and nominal voltage. Pump input power can also be estimated from (9.59) along with estimated pump efficiency ηin

فى طريقة تانية علشان تعرف كفاءة المضخة بتاعتك , انت عارف ال Flow وعارف ال Head و تعرف ال Volt بتاعك , عن طريق ال Curve دة تقدر تعرف الكفاءة

• Electrical side design:

PV power

5. The number of PV modules in series is an integer number.
6. The number of PV strings in parallel will be an integer number .
where IR the PV rated current at STC. The de-rating factor takes into account dirt and temperature effects. A reasonable default value is 0.80.

ال de-rating factor ده ذى الكفاءة كده , ياعنى أحنا عارفين ال Pin اللى لازم تدخل للمضخة بتاعتى خلاص , بس لازم ناخد فى الاعتبار ان الاتربة و درجة الحرارة و أحنا بنصمم النظام الشمسى بتاعى.

System configuration

خطورة ترتيب النظام علشان أحصل منة على الطاقة المطلوبة علشان أغذى النظام بتاعى دى مهمة جدا و فى نفس الوقت بسيطة , عبارة عن شوية قوانين هنستخدمها علشان نعرف عدد الالواح اللى هيتم توصيلها على التوازى و الالواح اللى هيتم توصيلها على التوالى علشان أ؛صل على الطاقة اللى مطلوبة .

أخر خطوة فى أى تصميم هى أنك لازم تعمل Check ان التصميم بتاعك ده هيحقق ال Flow المطلوب منك 

Design Check

7. After having sized the system, the water pumped can be estimated and adding the de-rating factor.

Q(gal/day) ≥ Q(given)

دلوقتى هنشوف مثال محلول و ده تم تنفيذة بالفعل لتصميم نظام مضخة تعمل بالطاقة الشمسية

Example.1:
Total Dynamic Head for a Well. What pumping head would be required to deliver 4 gpm from a depth of 150 ft. The well is 80 ft from the storage tank, and the delivery pipe rises another 10 ft. The piping is 3/4-in. diameter plastic, and there are three 90° ◦ elbows, one swing-type check valve, and one gate valve in the line.

Solution

Total Dynamic Head for a Well. What pumping head would be required to deliver 4 gpm from a depth of 150 ft. The well is 80 ft from the storage tank, and the delivery pipe rises another 10 ft. The piping is 3/4-in. diameter plastic, and there are three 90° ◦ elbows, one swing-type check valve, and one gate valve in the line.

Total Dynamic Head for a Well. What pumping head would be required to deliver 4 gpm from a depth of 150 ft. The well is 80 ft from the storage tank, and the delivery pipe rises another 10 ft. The piping is 3/4-in. diameter plastic, and there are three 90° ◦ elbows, one swing-type check valve, and one gate valve in the line.

Total Dynamic Head for a Well. What pumping head would be required to deliver 4 gpm from a depth of 150 ft. The well is 80 ft from the storage tank, and the delivery pipe rises another 10 ft. The piping is 3/4-in. diameter plastic, and there are three 90° ◦ elbows, one swing-type check valve, and one gate valve in the line.

Total Dynamic Head for a Well. What pumping head would be required to deliver 4 gpm from a depth of 150 ft. The well is 80 ft from the storage tank, and the delivery pipe rises another 10 ft. The piping is 3/4-in. diameter plastic, and there are three 90° ◦ elbows, one swing-type check valve, and one gate valve in the line.

• Static head = 150 + 10 = 160 ft. 
• The total length of pipe = L1+L2+L3 =150 + 80 + 10 = 240 ft.   
  

the three ells add the equivalent of 3 × 2.0 = 6 ft of pipe.

• the check valve of 5.0 ft of pipe. 
• the gate valve of 0.5 ft of pipe.

• The total equivalent length of pipe is therefore 240 + 6 + 5 + 0.5 = 251.5 ft. 
• From Table 9.17, 100 ft. of 3/4-in. pipe at 4 gpm has a pressure drop of 4.2 ft/100 of tube. 
• friction-head = 4.2 × 251.5/100 = 10.5 
• Hydraulic head = 160 + 10.5 = 170.5 ft.

Example.2:
Sizing an Array for a 150-ft Well in Santa Maria, California. Suppose that the goal is to pump at least 1200 gallons per day from the 150-ft well described in Example.1 using the Jacuzzi SJ1C11 pump. Size the PV array based on Siemens SR100 modules with rated current 5.9 A, mounted at an L + 15° tilt.

هو ده بقى اللى كنت بقولك علية انك لازم تعرف المنطقة بتاعتك و الالواح الشمسية بتاعتك بميل أد اية و كمان الشهر اللى انت فية علشان تعرف هتاخد حاجة أسمها واحد شمس ,خلى بالك اننا بنصمم على أسوء شهر هنا هنلاقى شهر December

From the solar radiation tables , the worst month is December, with an insolation of 4.9 kwh/m2 -day.

خلى بالك بقى عاوزين نحدد الكفاءة بتاعة المضخة من ال Curve ده

هيبقى ده ال configuration المطلوب عشان نحصل على الطاقة المطلوبة كده مش ناقص غير اننا نتأكد أن أحنا عملنا التصميم بتاعنا بطريقة صحيحة

Design Check

كده التصميم بتاعى بيدينى ال Flow اللى انا محتاجة و أزيد كمان

و كمان الطاقة الخارجة من النظام الشمسى بتاعى أعلى من الطاقة المطلوب دخولها للمضخة بتاعتى

و فى النهاية أدعوا الله أن يجعل الموضوع فى ميزان حسناتى و أسأل الله أن ينفعكم بالموضوع , عاوز أقولكم ان دى خطوات عملية فعلية للتصميم والكلام ده تم تنفيذة بالفعل مش كلا على ورق وخلاص

!Thank you