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.
- Victoria M., Haegel N., Peters I. M., Sinton R., Jäger-Waldau A., del Cañizo C., Breyer C., Stocks M., Blakers A., Kaizuka I., Komoto K., Smets A. Solar photovoltaics is ready to power a sustainable future. Joule. 2021. Vol. 5. No. 5. 1041-1056. DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.005.
https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.005 - Sridhar S., Salkuti S. R. Development and future scope of renewable energy and energy storage systems. Smart Cities. 2022. Vol. 5. 668-699. DOI: https://doi.org/10.3390/smartcities5020035.
https://doi.org/10.3390/smartcities5020035 - Gevorkov L., Domínguez-García J. L., Romero L. T. Review on solar photovoltaic-powered Pumping Systems. Energies. 2023. Vol. 16, 94. DOI: https://doi.org/10.3390/en16010094.
https://doi.org/10.3390/en16010094 - Sontake V. C., Kalamkar V. R. Solar photovoltaic water pumping system - a comprehensive review, Renew. Sust. Ener. Reviews. 2016. Vol. 59. 1038-1067. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2016.01.021.
https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.01.021 - Shukla T., Nikolovski S. A solar photovoltaic array and grid source-fed brushless DC motor drive for water-pumping applications. Energies. 2023. Vol. 16. 6133. DOI: https://doi.org/10.3390/en16176133.
https://doi.org/10.3390/en16176133 - Mishra A. K., Singh B. Grid interactive single-stage solar powered water pumping system utilizing improved control technique. IEEE Trans. Sustainable Energy. 2020. Vol. 11. No. 1. 304-314. DOI: https://doi.org/10.1109/TSTE.2018.2890670.
https://doi.org/10.1109/TSTE.2018.2890670 - Kumar R., Singh B. Brushless DC motor-driven grid-interfaced solar water pumping system. IET Power Electr. 2018. Vol. 11. No. 12. 1875-1885. DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2017.0812.
https://doi.org/10.1049/iet-pel.2017.0812 - Soenen C., Reinbold V., Meunier S., Cherni J. A., Darga A., Dessante P., Quéval L. Comparison of tank and battery storages for photovoltaic water pumping. Energies. 2021. Vol. 14. 2483. DOI: https://doi.org/10.3390/en14092483.
https://doi.org/10.3390/en14092483 - Shchur I., Lis M., Biletskyi Y. Passivity-based control of water pumping system using BLDC motor drive fed by solar PV array with battery storage system. Energies. 2021. Vol. 14. No. 23. 8184. DOI: https://doi.org/10.3390/en14238184.
https://doi.org/10.3390/en14238184 - Monís J. I., López-Luque R., Reca J., Martínez J. Multistage bounded evolutionary algorithm to optimize the design of sustainable photovoltaic (PV) pumping irrigation systems with storage. Sustainability. 2020. Vol. 12. No. 3. 1026. DOI: https://doi.org/10.3390/su12031026.
https://doi.org/10.3390/su12031026 - Muralidhar K., Rajasekar N. A review of various components of solar water-pumping system: Configuration, characteristics, and performance. Int. Trans. Electr. Energ. Syst. 2021. Vol. 31. No. 9. e13002. DOI: https://doi.org/10.1002/2050-7038.13002.
https://doi.org/10.1002/2050-7038.13002 - Mujawar S., Tamboli T., Patel D., Kute S. Solar panel fed BLDC motor for water pumping. Int. Res. J. Eng. Technol. (IRJET). 2020. Vol. 5. 5987-5994. URL: www.irjet.net.
- Kant N., Singh P. Review of next generation photovoltaic solar cell technology and comparative materialistic development. Mater. Today Proc. 2021. Vol. 56. No. 6. 3460-3470. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.11.116.
https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.11.116 - Matam M., Barry V. R., Govind A. R. Optimized reconfigurable PV array based photovoltaic water- pumping system. Solar Energy. 2018. Vol. 170. 1063-1073. DOI: https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.05.046.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.05.046 - Gupta N., Bhaskar M. S., Kumar S., Almakhles D. J., Panwar T., Banyal A., Sharma A., Nadda A. Review on classical and emerging maximum power point tracking algorithms for solar photovoltaic systems. J. Renew. Energy Envir. (JREE). 2024. Vol. 11. No. 2. 18-29. DOI: https://doi.org/10.30501/jree.2024.407775.1650.
- Darcy Gnana Jegha A., Subathra M. S. P., Kumar N. M., Ghosh A. Optimally tuned interleaved Luo converter for PV array fed BLDC motor driven centrifugal pumps using whale optimization algorithm - A resilient solution for powering agricultural loads. Electronics. 2020. Vol. 9. 1445. DOI: https://doi.org/10.3390/electronics9091445.
https://doi.org/10.3390/electronics9091445 - Zaky A. A., Ibrahim M. N., Rezk H., Christopoulos E., El Sehiemy R. A., Hristoforou E., Kladas A., Sergeant P., Falaras P. Energy efficiency improvement of water pumping system using synchronous reluctance motor fed by perovskite solar cells. Int. J. Energy Res. 2020. Vol. 44. No. 14. DOI: https://doi.org/10.1002/er.5788.
https://doi.org/10.1002/er.5788 - Errouha M., Derouich A., Nahid-Mobarakeh B., Motahhir S., El Ghzizal A. Improvement control of photovoltaic based water pumping system without energy storage. Solar Energy. 2019. Vol. 190. 319-328. DOI:https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.08.024.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.08.024 - Kumar R., Singh B. Single stage solar PV fed brushless DC motor driven water pump. IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron. 2017. Vol. 5. No. 3. 1377-1385. DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2017.2699918.
https://doi.org/10.1109/JESTPE.2017.2699918 - Hilali A., El Ouanjli N., Mahfoud S., Al-Sumaiti A. S., Mossa M. A. Optimization of a solar water pumping system in varying weather conditions by a new hybrid method based on fuzzy logic and incremental conductance. Energies. 2022. Vol. 15. No. 22. 8518. DOI: https://doi.org/10.3390/en15228518.
https://doi.org/10.3390/en15228518 - Altimania M. R., Elsonbaty N. A., Enany M. A., Gamil M. M., Alzahrani S., Alraddadi M. H., Alsulami R., Alhartomi M., Alghuson M., Alatawi F., Mosaad M. I. Optimal performance of photovoltaic-powered water pumping system. Mathematics. 2023. Vol. 11. No. 3. 731. DOI: https://doi.org/10.3390/math11030731.
https://doi.org/10.3390/math11030731 - Oshurbekov S., Kazakbaev V., Prakht V., Dmitrievskii V., Gevorkov L. Energy consumption comparison of a single variable-speed pump and a system of two pumps: variable-speed and fixed-speed. Appl. Sci. 2020. Vol. 10. No. 24. 8820. DOI: https://doi.org/10.3390/app10248820.
https://doi.org/10.3390/app10248820 - Westerhoff H. V., van Dam K. Thermodynamics and Control of Biological Free-Energy Transduction. Elsevier, 1987.
- Demirel Y. Nonequilibrium Thermodynamics: Transport and Rate Processes in Physical, Chemical and Biological Systems, 2nd Edition. Elsevier Science & Technology Books, 2007.
- Shchur I., Rusek A., Lis M. Optimal frequency control of the induction electric drive based on the thermodynamics of irreversible processes. Electromechanical and computerized systems. 2011. No. 3(79). 377-380. URL: https://eltecs.op.edu.ua/index.php/journal/article/view/751.
- Shchur І., Lis M., Biletskyi Y. A non-equilibrium thermodynamic approach for analysis of power conversion efficiency in the wind energy system. Energies. 2023. Vol. 16. No. 13. 5234. DOI: https://doi.org/10.3390/en16135234.
https://doi.org/10.3390/en16135234 - Moubarak A., El-Saady G., Ibrahim E.N.A. Variable speed photovoltaic water pumping using affinity laws. J. Power and Energy Eng. 2017. Vol. 5. No. 11. 50-71. DOI: https://doi.org/10.4236/jpee.2017.511005.
https://doi.org/10.4236/jpee.2017.511005 - Centrifugal Pumps CDX, Pumps catalog and characteristics. URL: http://ebara-pumpsonline.com/CDX.pdf (accessed 3 March 2024).
- de Souza Mendes P. R. A note on the Moody diagram. Fluids. 2024. Vol. 9. No. 4. 98. DOI: https://doi.org/10.3390/fluids9040098.
https://doi.org/10.3390/fluids9040098