オフグリッドポンプ: 適切なソーラーポンプシステムのサイズ、電力、選択方法

2 台の同じ 3 インチの水中ポンプを、同じ種類のボーリング孔に数百メートル離れて設置すると、まったく異なる動作をする可能性があります。1 台は午後中ずっと水を汲み上げ、もう 1 台は正午前に停止します。ポンプも同じです。それらの背後にあるオフグリッド電力アーキテクチャはそうではありません。

それでは、詳細の前に簡単な答えを示します。オフグリッドポンプは特別な種類のポンプではありません。これは、標準的な水中ポンプ、水上ポンプ、またはプールポンプに、背後に電力網のないエネルギー源（太陽電池アレイ、バッテリーバンク、発電機、またはこれらの組み合わせ）と組み合わせたもので、さらに、入力が雲で薄暗い朝から正午の完全な出力まで変動する間、モーターを回転し続けるコントローラーを備えています。ヘッド、流量、ケーブル、コントローラーを 1 つのデューティ ポイントに一致させると、オフグリッド ポンピングが問題なく行われます。これらが一致しないと、通常、最初にコントローラ、次にポンプに障害が発生します。そのため、ポンプの価格のみを比較する購入者はシステムを 2 回再構築する傾向があります。

オフグリッドポンプとして重要なもの

オフグリッド ポンプとは、一次エネルギー源が電力網から独立しているポンプと、その電力源でポンプを動作させるための電子機器を指します。この定義により、重心が静かにポンプ本体から遠ざかり、パワーチェーンに向かって移動します。これは、ポンプはコントローラーとアレイから送られるものだけを認識するためです。

4 つのアーキテクチャは、実際のほぼすべてのインストールをカバーします。

• 直流ソーラーDC。 このアレイは、最大電力点追跡コントローラーを介して DC モーターに電力を供給します。バッテリーも燃料もありません。太陽が輝いている間、水は動きます。
• ソーラープラスバッテリー。 アレイはバッテリー バンクを充電し、バッテリーがポンプを動作させるため、追加のハードウェアと充電の損失を犠牲にして、暗くなっても供給が継続されます。
• ハイブリッドAC/DCオートスイッチ。 太陽光発電 DC が優先電源です。放射照度がしきい値を下回ると、コントローラーは AC 主電源または発電機に移行し、太陽が戻ると再び移行します。
• 発電機専用AC。 指定が最も簡単ですが、実行コストが最も高くなります。現場にディーゼルセットがすでに存在する場合には依然として一般的です。

4 つのアーキテクチャを並べて表示

サイズ設定: 頭と体積が第一、ワットが二番目

総動的揚程と毎日の水量に応じてポンプのサイズを決定します。ワット数は計算に従うのではなく、その計算から導き出されます。油圧力は、P = 1000 x 9.81 x Q x H / 3600 として簡単に見積もることができます。ここで、P はワット、Q は 1 時間あたりの流量 (立方メートル)、H は総動水頭 (メートル) です。

揚程 45 メートルにわたって 1 日あたり 5 m3 を供給するポンプは、使用可能な太陽時間 6 時間で、およそ 0.83 m3/h を必要とし、これは約 100 W の水力に相当します。現実的なポンプ効率である 0.35 ～ 0.5 で割ると、250 W モーター近くになります。アレイをモーター定格の 1.3 ～ 1.5 倍大きくし、350 ～ 400 W のパネル セットが実際的な開始点となります。

トータルダイナミックヘッドは2つのパーツから構成されています。静水頭は水面から放水点までの垂直距離です。摩擦水頭とは、パイプの長さ、エルボ、逆止弁、ポンプの運転中に発生するドローダウンなど、水が途中でこすれるすべてのものです。静的ヘッドのみでのサイジングは、システムが最初の 1 週間で成果を下回る最も一般的な理由です。

うまくいった例

深さ40mの井戸、水位は25m下、タンクは地上8m、32mmパイプは60m。静的落差は 33 m。摩擦は 1 m3/h で約 4 ～ 6 m 増加するため、33 m ではなく 38 ～ 40 m を計画してください。季節ドローダウンを追加すると、数値は再び動きます。

落差が約 8 m を下回ると、ポンプは地上に移動します。池、タンク、浅井戸では、通常、自吸水上ユニットが安価でより実用的な解決策となります。

水中ポンプか水上ポンプか?

深さが決めます。吸込揚程がおよそ 7 ～ 8 m を超えると、ポンプを水中に入れる必要があります。それ以上であれば、水上ポンプの方が安価で使いやすいです。水上ポンプは吸引によって揚力し、大気圧により海抜 10.3 m 付近に硬い天井が設定されます。摩擦、高度、インペラの摩耗を考慮すると、実際には 7 ～ 8 m です。吸込側を強く押すと、キャビテーションが発生します。ガラガラ音と羽根車が静かに侵食されます。

インペラの材質はポンプの種類と同じくらい重要です。きれいな水と断続的な運転の場合、プラスチック製インペラは賢明な低コストの選択です。砂を含んだ水、攻撃的な化学薬品、またはほぼ連続的な作業の場合、ステンレス鋼は摩耗や浸食に対してはるかに優れた耐性を備えており、追加コストはポンプを 2 回引くコストに比べて少額です。

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コントローラーが面倒な作業を行います

オフグリッド設備の失敗では、ポンプよりもコントローラーが弱点となることがよくあります。コントローラーには 4 つの仕事があります。放射照度の変化に応じてアレイの最大電力点を追跡し、水位が低下したときにモーターを空運転から保護し、突入電流によって限界アレイが崩壊しないようにモーターをソフトスタートし、ハイブリッド システムでは巻線にダメージを与えずに DC と AC 間の転送を行います。 3 kW のポンプは、12 kW 対応のコントローラーで問題なく動作します。雲が通過するたびに MPPT ロックが失われるコントローラーでは、うまく動作しません。

ここではパワーバンドが重要です。 400 ～ 1500 W DC コントローラーは、小規模な家庭や家畜の勤務に適しています。 1100 ～ 3000 W の自動スイッチ ユニットは、ほとんどの農場規模のハイブリッド システムをカバーします。 5500 ～ 13000 W のコントローラーが村の供給と大規模な灌漑ブロックを担当します。測定されたデューティポイントより 1 つ上のバンドを購入することは、地下水面の低下に対する合理的な保険となります。

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オフグリッドポンプが収益を得る場所

家庭用供給、灌漑、循環、移送という 4 つのデューティ サイクルがほぼすべてのオフグリッドポンプの役割を果たします。

• 国内供給。 送電網がないか、信頼性の低い家庭では、通常、落差 20 ～ 60 m で 1 日 1 ～ 3 m3 が必要です。の オフグリッド生活のための太陽熱温水ポンプ シナリオではそのパターンが詳細に説明されています。
• 灌漑。 点滴ブロックとスプリンクラー ブロックは正午に最も激しくポンプを送ります。正午はたまたまアレイ出力のピークと一致するため、 灌漑用太陽熱温水ポンプ デューティ サイクルは、最適なオフグリッド負荷に対応します。
• 水産養殖と河川整備。 ヘッドが低くなり、生産量が増加し、毎日の実行時間が長くなります。通常、通気と循環は圧力よりも重要です。
• プールの循環。 濾過はシーズン中は 1 日あたり 6 ～ 10 時間実行され、ソーラーハイブリッドプールポンプにほぼ完璧に適合します。

ご注文前にご確認いただきたいこと

価格を比較する前に、関税点を書き留めてください。仕様は 7 つの数字から導き出されます。

1. ドローダウンと摩擦を含む、測定された総動的落差 - ボーリング孔の深さではありません。
2. 1 日の体積 (立方メートル) と、最悪の月に現実的に信頼できる日照時間。
3. 水質: 砂、シルト、鉄により、プラスチック製インペラとステンレス製インペラのどちらを選択するかが決まります。
4. ケーブルの長さと断面積。60 m の DC 配線での電圧降下により、より大きなアレイで得られる出力よりも多くの出力コストがかかる可能性があるためです。
5. コントローラーの機能: MPPT、空運転保護、過電圧および不足電圧カットアウト、AC 転送時間。
6. 現場に AC 電源が存在するかどうか。これにより、純粋な DC 設計とハイブリッド設計のどちらが決定されます。
7. サービス計画: ポンプがどのようにして地面から出てくるのか、そして誰がそれを行うのか。

オフグリッドポンプに関するよくある質問

オフグリッドポンプはバッテリーなしで動作できますか?

はい、ほとんどがそうです。直接太陽光発電 DC システムは、アレイが使用可能な電圧を生成している間のみポンプを動作させ、水はタンクまたは貯水池に送られます。これはバッテリーバンクよりもはるかに安価な貯蔵です。水が貯蔵されるのではなく汲み上げられて消費される場合、バッテリーは意味を持ちます。

1 週間の雲の中で何が起こるでしょうか?

出力は日射量とともに低下し、直接システムが完全に停止する可能性があります。ハイブリッド コントローラーは、DC バスがしきい値を下回ると AC 主電源または発電機に転送し、その後自動的に元に戻るため、タンクは充填され続けます。バックアップのないシステムは、天候が回復するのを待つだけです。

インペラはプラスチック製ですか、それともステンレス製ですか?

きれいな水と断続的な作業の場合、プラスチックは合理的な低コストの選択肢です。砂を含んだ水、化学反応の激しい環境、またはほぼ連続的な運転の場合、ステンレス鋼は摩耗や浸食に対してはるかに優れた耐性を発揮します。

ポンプ kW あたりどれくらいのアレイが必要ですか?

実用的なルールとして、モーター kW ごとに 1.3 ～ 1.5 kW のパネルを許容します。ポンプが高揚程で動作する場合や、サイトの朝が長く霞んでいる場合は、さらに多くの量を許容します。通常、追加のパネルは追加のバッテリーよりも安価です。

1 つのコントローラーで複数の異なるポンプを実行できますか?

パワーバンド内では、はい、1100 ～ 3000 W の自動スイッチ ユニットがさまざまな水中ポンプや水上ポンプを駆動します。その帯域外では、より大きなコントローラーが必要となり、コントローラーのサイズを小さくすることが一般的で高価な近道となります。

オフグリッドポンプは、退屈なアプローチに報いるものです。揚程を測定し、1 日のリットルを数え、実際の天候に適合するアーキテクチャを選択し、揚程のあるコントローラーと水に適した羽根車を備えたポンプを購入します。パネルの傾き、タンクのサイズ、ケーブルのゲージなど、その他すべては、これらの固定点を中心とした最適化です。

まだアーキテクチャを選択している場合は、デューティ ポイントから始めてワットまで逆算してください。ポンプは簡単な部分です。