Підвищення ефективності роботи сонячної водопомпової установки на основі термодинамічного аналізу перетворення енергії у відцетровій помпі

Abstract

Одним із перспективних способів використання сонячної енергії є автономні фотоелектричні сонячні установки для помпування води, які призначені для зрошення та міського/сільського водопостачання замість електричних під’єднаних до мережі або дизельних водопомпових систем. Найпростішими і найпоширенішими серед таких установок є системи прямого привода, які не потребують дорогих і ненадійних акумуляторних батарей. Проте в них у зв’язку з неминучими сезонними, добовими та погодними зменшеннями інтенсивності падаючої сонячної радіації пропорційно знижується частота обертання електродвигуна, що приводить в рух помпу, причому гідравлічна продуктивність останньої знижується вже в кубічній залежності її швидкості. Все це призводить як до звуження приблизно наполовину робочого діапазону інтенсивності сонячної радіації, так і до стрімкого зниження ККД помпи. З метою обґрунтування раціональних параметрів відцентрової помпи в цій статті остання розглянута як механо-гідравлічний перетворювач потужності. Для опису роботи такого перетворювача застосовано положення лінійної нерівноважної термодинаміки, причому нелінійні статичні характеристики “напір – витрата” лінеаризувалися в робочих точках помпи. Такий підхід дав змогу отримати універсальну характеристику перетворювача потужності – залежність енергетичної ефективності помпи, її ККД від відносного параметра режиму роботи. Оптимальна точка максимальної ефективності перетворювача залежить від безрозмірного ступеня спряження між його входом та виходом. Дослідження, проведені для реальної помпи, яка працює в реальній гідравлічній системі, показали, що зі зниженням частоти її обертання змінюються всі вказані параметри помпи: зменшується ступінь спряження, знижується ККД, а робоча точка поступово переміщується з лівої на праву ділянку спадаючих частин термодинамічної ефективності. Для оперативного обчислення вказаних безрозмірних параметрів та побудови відповідних безрозмірних характеристик перетворювача потужності розроблено програму в середовищі MathCad. З її використанням проведено низку досліджень щодо впливу основних параметрів гідравлічної системи на ККД помпи за різних частот її обертання. У результаті проведених досліджень показано, що для розширення робочого діапазону інтенсивності сонячної радіації та суттєвого підвищення енергетичної ефективності відцентрової помпи в автономних установках прямого привода доцільно застосовувати помпи з номінальною висотою підйому води, вищою ніж задана в конкретній гідравлічній системі.

One of the promising way to use solar energy is standalone PV solar water pumping systems, which are designed for irrigation and urban/rural water supply instead of grid-connected electric or diesel water pumping systems. The simplest and most common among such solar water pumping systems are direct driven systems that do not require expensive and unreliable storage batteries. However, due to the inevitable seasonal, daily and weather-related reductions in the intensity of incident solar radiation, the frequency of rotation of the electric motor, which drives the pump, decreases, and the hydraulic performance of the pump decreases already in cubic dependence from its speed. All this leads both to the narrowing of the operating range of the intensity of solar radiation by approximately half, and to a sharp decrease in the efficiency of the pump. In order to substantiate the rational parameters of a centrifugal pump, in this paper, the pump is considered as a mechano-hydraulic power converter. To describe the operation of such a converter, the positions of linear non-equilibrium thermodynamics were applied, and the nonlinear static characteristics “head – volumetric flow” were linearized at the operating points of the pump. This approach made it possible to obtain a universal characteristic of the power converter – the dependence of the efficiency of the pump on the dimensionless parameter of the operating mode. The optimal point of maximum efficiency of the converter depends on the dimensionless degree of coupling between its input and output. The research conducted for a real pump operating in a real hydraulic system showed that with a decrease in the frequency of its rotation, all the indicated parameters of the converter change: the degree of coupling decreases, the efficiency decreases, and the operating point gradually moves from the left to the right area of decreasing parts of the thermodynamic efficiency. For the operational calculation of the specified dimensionless parameters and the construction of the corresponding dimensionless characteristics of power converter, a program in the MathCad environment has been developed. With its use, a number of studies were carried out on the influence of the main parameters of the hydraulic system on the efficiency of the centrifugal pump at different frequencies of its rotation. As a result of the conducted research, it is shown that in order to expand the working range of the solar radiation intensity and significantly increase the energy efficiency of the pump in autonomous direct driven solar water pumping systems, it is advisable to use the pump with a nominal height of water rise higher than that set in a specific hydraulic system.